WO2012153188A2 - Processo e sistema de produção de biogás a partir de biomassa vegetal - Google Patents

Processo e sistema de produção de biogás a partir de biomassa vegetal Download PDF

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WO2012153188A2 PCT/IB2012/001031 IB2012001031W WO2012153188A2 WO 2012153188 A2 WO2012153188 A2 WO 2012153188A2 IB 2012001031 W IB2012001031 W IB 2012001031W WO 2012153188 A2 WO2012153188 A2 WO 2012153188A2
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Adrianus Cornelius VAN HAANDEL
Cláudia RODRIGUES BARBOSA
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Cetrel S.A.
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Definitions

  • the present invention is part of the field of green technology by producing biogas from plant biomass in reactors operated in a semicontinuous or continuous process.
  • sugarcane is a potential energy generator, with the advantage of being completely renewable. Brazil is in a very favorable situation regarding sugarcane production, and until the second half of November 2008, approximately 460 million tons of sugarcane were processed in the 2008/2009 harvest. In 2010, approximately 654 million tons of sugarcane were processed in the 2009/2010 harvest.
  • sugarcane straw and bagasse As a consequence of the increase in ethanol production in recent years, there is the increase of agro-industrial residues from this process, such as sugarcane straw and bagasse.
  • the sugarcane waste production potential (dry matter) represents on average 14% of the sugarcane mass.
  • CONFIRMATION COPY duos (straw and sugarcane bagasse) (Seabra. Analysis of technological options for the full use of biomass in the sugarcane sector and its implications. Doctoral dissertation. Unicamp, 298p., 2008). According to data from the 2009/2010 harvest, the accumulation is approximately 183 million tons of waste (straw and sugarcane bagasse).
  • the composition of sugarcane bagasse and straw is variable; The largest component is cellulose (40-50%), followed by hemicellulose (20-30%) and lignin (25-35%). Ashes, phenolic compounds, fatty acids and other constituents, called extractive compounds, make up the remaining fraction of these plant biomasses (Reddy, N.; Yang, Y. Biofibers from agricultural byproducts for industrial applications. Trends in Biotechnology, v.23, p 22-27, 2005).
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions may be hydrolyzed and converted into fermentable sugars by physical (eg steam blast), chemical (eg alkali, acid, solvent, gas) and biological (eg enzyme or fungal) methods.
  • sugarcane bagasse and residual straw As economic alternatives for the use of sugarcane bagasse and residual straw, the following can be cited as examples: use as fuel in industrial / farm boilers, use in the paper and cardboard industry, use in microbial biomass production and use in feed. animals.
  • sugarcane residue volume can also be verified in other crops such as rice (rice husk), corn (maize straw), barley (barley straw), wheat. (wheat straw), wood (eucalyptus chips) and banana (banana pseudostem). All of this plant biomass has been the subject of a series of studies for applications in green technologies to obtain products of industrial interest, such as alcohols (eg ethanol, butanol), organic acids (eg lactic, acetic, citric acid). ) and biogas.
  • alcohols eg ethanol, butanol
  • organic acids eg lactic, acetic, citric acid
  • Anaerobic digestion is a process performed by a consortium of microorganisms under anaerobic conditions (absence of oxygen) converting complex organic material into simpler compounds and cellular material.
  • the biogas generated is composed of methane, carbon dioxide, water, hydrogen sulfide gas, ammonia, among others, depending on the biomass composition employed.
  • the process is developed in sequential stages involving complex metabolic processes, which depend on the activity of at least four groups of microorganisms, namely: hydrolytic bacteria, responsible for the release of exoenzymes that catalyze the hydrolysis of complex organic polymers such as pectin, hemicellulose and cellulose to sugars, long chain carboxylic acids and glycerol; acidogenic bacteria, which metabolize hydrolysed products to even simpler ones such as short-chain carboxylic acids, alcohols, lactic acid, CO 2 , H 2 , NH 3 and H 2 S depending on environmental conditions; acetogenic bacteria, which convert the products of acidogenic metabolism into acetate, hydrogen and carbon dioxide, and finally these are converted to methane and carbon dioxide by methanogenic bacteria (Chernicharo, CAL. Anaerobic Reactors. Department of Sanitary and Environmental Engineering-UFMG, 246p., 1997).
  • hydrolytic bacteria responsible for the release of exoenzymes that catalyze the hydrolysis of complex organic polymers such as pe
  • the temperature in the anaerobic digestion process has a strong influence on the conversion rate of organic material and on the predominant species in a certain temperature range.
  • Alkalinity of a system is its ability to neutralize acids as a result of the presence of chemical species of alkaline nature. Alkalinity is indicative of the buffering capacity of a given system and therefore for high alkalinity it should not be It is understood that the pH is necessarily high. Volatile fatty acids are closely related to alkalinity. The acids formed in the process tend to lower the pH making it acidic and unsuitable for anaerobic processes. In this sense the buffering effect of the solution avoids sudden drops and frequent pH fluctuations (Chemicharo, CAL. Anaerobic Reactors. Department of Sanitary and Environmental Engineering-UFMG, 246p., 1997).
  • UASB Upflow Anaerobic Sludge Bed
  • UASB reactors are considered one of the most practical anaerobic systems in domestic and industrial wastewater treatment.
  • the raw material consists of a mixture of municipal solid waste and domestic sewage, and comprises: 1) a biomass production system configured for the conversion of solid organic waste into uniform biomass; 2) a hydrolysis reactor configured to convert biomass to residual solids and a liquid containing soluble compounds by hydrolysis and volatile acid fermentation; and 3) an anaerobic digester configured to receive liquid waste containing soluble compounds together with sanitary sewage to produce biogas from them.
  • step 1 is a pretreatment carried out in a hydrolytic reactor through the steam blast process and the biomass hydrolysis step is performed.
  • hydrolytic bacteria may have the addition of biological catalyst (industrial enzymes) combined with these hydrolytic bacteria.
  • step 3 only the liquid removed after the hydrolysis step is added to the anaerobic digestion reactor without the use of any additional substrate as sewage. sanitary for biogas production.
  • US Patent Document 2010/0173354 (published 08.07.2010, on behalf of Bjoern Schwarz et al.) Describes a process for the fermentation of renewable silage feedstock which comprises: 1) washing and crushing the raw material renewable silage cousin; 2) removal of at least part of the water from the material; 3) hydrolysis of the material using sewage treatment plant activated sludge and optionally manure; and 4) biogas production from the hydrolyzed material in fermenters.
  • the steps of treatment of renewable raw material of silage, hydrolysis and fermentation can be carried out separately.
  • the present invention is differentiated by the pretreatment step employed (steam blast), raw material and also by the possibility of addition of biological catalyst in the hydrolysis step.
  • Biomass is hydrolyzed in step 2 and liquid from solid / liquid separation is used in step 3 for biogas production, unlike in US 2010/0173354 where both solid and liquid fractions of the material Hydrolysates are used in digesters for the production of biogas.
  • Cellulases are usually a mixture of several enzymes that catalyze cellulose hydrolysis, converting it into reducing sugars (mainly glucose) that can be used by microorganisms to produce industrially interesting inputs.
  • reducing sugars mainly glucose
  • the xylanes catalyze the hydrolysis of the hemicellulosic fraction of biomass, producing hydrolysate with about 90% pentoses (mainly xylose and arabinase) (Sun, Y .; Cheng, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: Bioresource Technology, v. 83, pp. 1-11, 2002).
  • the present invention relates to a process for the production of biogas comprising the steps of:
  • step (b) hydrolysis of the material treated in step (a) by hydrolytic bacteria, with or without the addition of cellulase enzymes together or not with xylanase enzymes;
  • step (c) anaerobic digestion of the hydrolyzed material in step (b);
  • steps (a), (b) and (c) are performed in separate reactors and the product of step (c) is biogas.
  • the present invention further relates to a system for carrying out the biogas production process also object of the invention which comprises:
  • step (ii) a second reactor for the hydrolysis of the material treated in step (i) by hydrolytic bacteria, with or without the addition of cellulase enzymes together or not with xylanase enzymes;
  • step (iii) a third reactor for anaerobic digestion of hydrolyzed material in step (ii).
  • Figure 1 - Figure 1 is a schematic representation of the system and process of biogas production from plant biomass, with a steam blast pretreatment reactor (10), a hydrolysis reactor (20) and a reactor anaerobic digestion system (30) without the addition of industrial enzymes according to the present invention.
  • FIG. 2 - Figure 2 is a schematic representation of the system and process of biogas production from plant biomass, with a steam blast pretreatment reactor (10), a hydrolysis reactor (20) and a reactor anaerobic digestion system (30) with the addition of industrial enzymes according to the present invention.
  • the present invention relates to a process for the production of biogas comprising the steps of:
  • step (b) hydrolysis of the material treated in step (a) by hydrolytic bacteria, with or without the addition of cellulase enzymes, whether or not with thiianase enzymes;
  • step (c) anaerobic digestion of the hydrolyzed material in step (b);
  • steps (a), (b) and (c) are performed in separate reactors and the product of step (c) is biogas.
  • the production of biogas according to the invention is made from vegetable biomass, which can be selected from the group consisting of: sugarcane bagasse, sugarcane straw, rice husk, corn, barley straw, wheat straw, eucalyptus chips, banana pseudostem and mixtures thereof.
  • the first process step of the invention comprises pretreatment of the lignocellulosic material into a first reactor by steam explosion as shown schematically in Figures 1 and 2 (reactor 10). Hemicellulose, due to its amorphous structure and lower degree of polymerization than cellulose, is partially or completely hydrolyzed at this pretreatment stage, depending on the reaction conditions employed. Said pretreatment also aims at destroying the plant biomass fiber, reducing crystallinity and increasing porosity, in order to facilitate hydrolysis of the cellulosic fraction.
  • step (a) of the process of the invention comprises steam explosion by the application of water vapor to the plant biomass in said first reactor, with temperatures ranging from 160 to 260 ° C, which corresponds to 0.62-4.7MPa pressures and reaction time ranging from a few seconds to a few minutes before decompression.
  • the reaction should be carried out at temperatures in the range 180-220 ° C and reaction times of 3-15 minutes.
  • the steam explosion process consists of the sudden decompression of a pressurized system containing the saturated water vapor at high pressure and plant biomass.
  • Water under high pressure penetrates the cellular structure of the biomass, hydrates the cellulose and hydrolyzes the hemicellulose.
  • the pentoses of the hemicellulosic fraction can be separated and access of enzymes to cellulose is facilitated.
  • sugars from the hemicellulosic fraction may be transferred to the liquid phase by a biomass wash step, and this liquid rich in organic material may be sent directly to step c (anaerobic digestion) .
  • Pretreated biomass has humidity around 55-60%.
  • the second process step of the invention comprises hydrolysis of the material treated in said step (a) in a second reactor.
  • the material treated in step (a) undergoes hydrolysis in said second reactor (reactor 20, as shown in figures 1 and 2) which may operate at a temperature in the mesophilic or thermophilic range, preferably in the range 45-55 ° C.
  • Hydrolytic bacteria are added to the reactor, which should be operated at a pH between 5.0-8.0, preferably 5.0-6.0.
  • the total solids concentration in the hydrolysis reactor is in the range of 5-50%, preferably 5-15% for this process.
  • Industrial enzymes can be added to the reactor at this stage, in conjunction with hydrolytic bacteria to increase hydrolysis efficiency.
  • the pH may be controlled by the addition of alkalizing agents (strong or weak bases), preferably sodium hydroxide or urea.
  • alkalizing agents strong or weak bases
  • pH control can be obtained by recirculating the material contained in the reactor, with or without the addition of alkalinizers.
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions can be converted to lower molecular weight compounds by hydrolytic bacteria.
  • the addition of industrial enzymes, cellulases and xylanases, aims to increase the efficiency and productivity of the hydrolysis reaction, as the hydrolysis product can be readily converted by acidogenic and acetogenic bacteria to volatile organic acids.
  • the fungus Trichoderma reesei is the most industrially used microorganism for the production of cellulases and xylanases, but some bac- Arteries are also capable of producing such enzymes, such as Clostridium thermocellum, Ruminococcus albus and Streptomyces sp. (Corridor et al. Pretreatment and Enzymatic Hydroysis of Sorghum Bran. Cereal Chemistry, v.84, p.61-66, 2007).
  • Hydrolytic bacteria can be selected from anaerobic sludges from domestic or industrial wastewater treatment plants.
  • the microorganisms should be adapted to the medium containing the biomass employed for a period ranging from 20-60 days.
  • the most suitable volumetric organic load applied to the reactor is in the range of 5-30 g COD / L.day, more preferably 10-20 g COD / L.day. This organic load should be increased slowly, ensuring conditions that favor the development of hydrolytic bacteria.
  • the hydrolysis reactor that will be a component of this process differs from the reactors commonly used for biomass hydrolysis, such as the system used to produce second generation ethanol.
  • biomass hydrolysis such as the system used to produce second generation ethanol.
  • second generation ethanol only enzymes are used and the hydrolysis products are carbohydrates.
  • these carbohydrates are converted to volatile organic acids by the acidogenic and acetogenic bacteria present in the reactor.
  • the type and dosage of enzymes employed in the hydrolysis process are dependent on factors such as biomass composition, degree of crystallinity of the polymeric chain, type of pretreatment employed and process conditions, especially temperature and pH.
  • Hydrolysis of the cellulosic fraction of plant biomass for biogas production may be carried out by the addition of cellulases in amounts of about 0.05-5% by mass of total solids (ST), more preferably 0.5-4. Mass% ST.
  • the xylanase is added in an amount sufficient to hydrolyze hemicellulose to xylose at concentrations of 0.001-1 wt.% ST, more preferably 0.05-0.2 wt.%.
  • treatment of hemicellulose with the addition of xylanase is not mandatory according to the present invention after steam blast pretreatment.
  • the hydrolytic bacteria of said second reactor (step (b)) are obtained by inoculating it with 5-40% v / v anaerobic sludge, preferably 0-20% v / v.
  • Such an inoculation aims at converting the biomass into carbohydrates, with subsequent production of organic acids, which can be converted to methane and carbon dioxide in the third anaerobic digestion reactor of step (c) detailed below.
  • said second reactor may further comprise a solution of organic nutrients for the purpose of stimulating the production of enzymes by hydrolytic bacteria.
  • the ideal nutrient solution should contain macro (N-NH 4 + , P-PO4 3 " , Mg, Ca) and micro-nutrients (Fe, Ni, Zn, Co, etc.) as well as alkalinity (NaHC0 3 or KH 2 P0 4 and K 2 HP0 4 ) (Aquino et al. Eng. San. Amb. Vol.12 - No. 2 (2007), p. 192-201)
  • a fraction of the nutrient solution can be composed of vinasse ( 5-20%), by-product of the distillation process for ethanol production from sugar and alcohol plants
  • the amount of nutrients added should be sufficient for the development of hydrolytic bacteria.
  • step (b) After the hydrolysis of step (b) is completed, solid / liquid separation of the hydrolyzed material is performed, which can be done by filtration, pressing or centrifugation. The obtained liquid is directed to the next step (c).
  • the parameters monitored in the hydrolysis reactor to assist in monitoring reactor stability and performance are pH, temperature, alkalinity, volatile fatty acids, chemical oxygen demand (COD), total solids, suspended solids, volatile solids, biomass humidity and humidity.
  • step (c) comprises anaerobic digestion of the hydrolyzed material in said step (b) in a third reactor (reactor 30 as shown in figures 1 and 2).
  • the hydrolyzed material in said step (b) is subjected to anaerobic digestion in said third reactor, which operates at a temperature in the mesophilic range, more preferably 30-40 ° C.
  • the pH can be controlled by the addition of alkalizing agents, such as urea or sodium hydroxide, and should be kept in the range 6.0-8.0, more preferably 6.0-7.0.
  • pH control can be obtained by recirculating the material contained in the reactor, with or without the addition of alkalinizers.
  • a UASB-type reactor can be used, fed with the liquid fraction obtained after bacterial bagasse hydrolysis, with or without the addition of enzymes.
  • the lift rate used is in the range of 0.3-1.5 m / hr, more preferably 0.5-1.0 m / hr, retention time 4-15 hours, preferably 7-10 hours, and volumetric organic charge of 3-30 gDQO / Ldia, preferably 10-20 gDQO / Ldia.
  • the present invention further relates to a system for carrying out the biogas production process also object of the invention which comprises:
  • step (ii) a second reactor for the hydrolysis of the material treated in step (i) by hydrolytic bacteria, with or without the addition of cellulase enzymes, together or not with xylanase enzymes;
  • step (iii) a third reactor for anaerobic digestion of hydrolyzed material in step (ii).
  • Sugarcane bagasse was used as biomass material, which was pre-treated in a first steam blast reactor, using temperatures around 200 ° C, pressure of 1 ° C. , 6 MPa (16 bar) and reaction time of 7 minutes. The humidity of the exploded bagasse was around 50%.
  • the pretreated bagasse was transferred to the second reactor (hydrolysis reactor) and its hydrolysis was conducted.
  • the hydrolytic reactor operated in a mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C), pH around 5.5 and solids concentration around 15%, with semicontinuous feeding. Every two days, the The second reactor was fed with exploded bagasse and part of the hydrolyzed bagasse (cake for disposal) was removed, and the retention time of solids was around 20 days.
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions of the substrate used (pretreated bagasse) were converted into sugars of lower molecular weight by hydrolytic bacteria.
  • the second hydrolytic reactor was inoculated with 20% v / v anaerobic sludge, with total volatile solids concentration of 32gSTV.L ⁇ 1 and specific methanogenic activity (AME) of 0.3gDQO.gSTV "1 .day "1 using standard substrate.
  • AME specific methanogenic activity
  • the sludge was purchased from an anaerobic digestion unit of brewery effluents and was adapted to the substrate used (pretreated bagasse) for about 30 days.
  • the parameters monitored in the second hydrolysis reactor to assist in monitoring the stability and performance of the reactor used in the process were: pH, temperature, alkalinity, volatile fatty acids, COD, total solids, suspended volatile solids, total volatile solids, solids. total lumps, bagasse density and moisture and cake density and moisture.
  • the hydrolyzed bagasse was subjected to solid / liquid separation, and the liquid obtained by filtration containing sugar-rich soluble (leached) compounds was sent to the third anaerobic digestion reactor.
  • the third anaerobic digestion reactor used was a UASB type reactor reactor, fed with the liquid fraction obtained after the hydrolysis of the bagasse by bacteria.
  • the ascending speed used was 0.5m / h, retention time around 3h and volumetric organic load suitable for this type of reactor.
  • the third UASB reactor was operated under mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C) and pH around 6.
  • Sugarcane bagasse was used as biomass material, which was pre-treated in a first steam plosion using temperatures around 200 ° C, a pressure of 1.6 MPa (16 bar) and a reaction time of 7 minutes. The humidity of the exploded bagasse was around 50%.
  • the pretreated bagasse was transferred to the second reactor (hydrolysis reactor) and its hydrolysis was conducted.
  • the hydrolytic reactor operated in a mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C), pH around 5.5 and solids concentration around 15%, with semicontinuous feeding. Every two days, the second reactor was fed with exploded bagasse and part of the hydrolyzed bagasse (cake for disposal) was removed, and the retention time of solids was around 20 days.
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions of the substrate used were converted into sugars of lower molecular weight, by hydrolytic bacteria and commercial enzymes of cellulase and xylanase types, whose objective was to increase the efficiency. hydrolysis productivity in the second reactor.
  • the second hydrolytic reactor was inoculated with 20% v / v anaerobic sludge, with total volatile solids concentration of 32gSTV.L "1 and specific methanogenic activity (AME) of 0.3gDQO.gSTV 1 .day ⁇ 1 using standard substrate, and with a commercial enzyme cocktail composed of cellulases and xylanases.
  • the enzymes were diluted in water and applied directly to the bagasse during each feed.
  • the sludge was purchased from an anaerobic digestion unit of brewery effluent and adapted to the substrate. used (pretreated bagasse) for about 30 days.
  • the parameters monitored in the second hydrolysis reactor to assist in monitoring the stability and performance of the reactor used in the process were: pH, temperature, alkalinity, volatile fatty acids, COD, total solids, suspended volatile solids, total volatile solids, solids. total lumps, bagasse density and moisture and cake density and moisture.
  • the hydrolyzed bagasse was subjected to solid / liquid separation, and the liquid obtained by filtration containing sugar-rich soluble (leached) compounds was sent to the third anaerobic digestion reactor.
  • the hydrolysis efficiency of Biomass was calculated considering the COD value of the bagasse entering the reactor, COD of the bagasse leaving the reactor and the COD of the leachate, obtained by the analysis of the liquid extracted from the hydrolyzed bagasse.
  • the efficiency of the second hydrolytic reactor increased by about 150% compared to Example 1.
  • the third anaerobic digestion reactor used was a UASB type reactor reactor, fed with the liquid fraction obtained after the hydrolysis of the bagasse by bacteria and commercial enzymes.
  • the ascending speed used was 0.5m / h, retention time around 3h and volumetric organic load suitable for this type of reactor.
  • the third UASB reactor was operated under mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C) and pH around 6.
  • Sugarcane bagasse was used as biomass material, which was pre-treated in a first steam explosion reactor, using temperatures around 200 ° C, pressure of 1 ° C. , 6 MPa (16 bar) and reaction time of 7 minutes. The humidity of the exploded bagasse was around 50%.
  • the pretreated bagasse was transferred to the second reactor (hydrolysis reactor) and its hydrolysis was conducted.
  • the hydrolytic reactor operated in thermophilic condition (55 ⁇ 0.5 ° C), pH around 5.5 and solids concentration around 15%, with semicontinuous feeding. Every two days, the second reactor was fed with exploded bagasse and part of the hydrolyzed bagasse (cake for disposal) was removed, and the retention time of solids was around 20 days.
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions of the substrate used (pretreated bagasse) were converted into sugars of lower molecular weight by hydrolytic bacteria.
  • the second hydrolytic reactor was inoculated with 20% v / v anaerobic sludge, with total volatile solids concentration of 32gSTV.L “1 and specific methanogenic activity (AME) of 0.3gDQO.gSTV " .day " 1.
  • the sludge was purchased from an anaerobic digestion unit of brewery effluents and was adapted to the substrate used (pretreated bagasse) by cer- about 30 days.
  • the parameters monitored in the second hydrolysis reactor to assist in monitoring the stability and performance of the reactor used in the process were: pH, temperature, alkalinity, volatile fatty acids, COD, total solids, suspended volatile solids, total volatile solids, solids. total lumps, bagasse density and moisture and cake density and moisture.
  • the hydrolyzed bagasse was subjected to solid / liquid separation, and the liquid obtained by filtration containing sugar-rich soluble (leachate) compounds was sent to the third anaerobic digestion reactor. .
  • the efficiency of biomass hydrolysis was calculated considering the COD value of the bagasse entering the reactor, COD of the bagasse leaving the reactor and the COD of the leachate, obtained by the analysis of the liquid extracted from the hydrolyzed bagasse.
  • a solution containing specific nutrients was added to promote the synthesis of cellulolytic enzymes by the bacteria present in the anaerobic sludge.
  • the efficiency of the second hydrolytic reactor was about 150% higher than Example 1.
  • the third anaerobic digestion reactor used was a UASB type reactor fed with the liquid fraction obtained after the hydrolysis of the bagasse by bacteria.
  • the ascending speed used was 0.5m / h, retention time around 3h and volumetric organic load suitable for this type of reactor.
  • the third UASB reactor was operated under mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C) and pH around 6.
  • Sugarcane bagasse was used as biomass material, which was pre-treated in a first steam blast reactor, using temperatures around 200 ° C, pressure of 1.6 MPa (16 bar) and reaction time 7 minutes. The humidity of the exploded bagasse was around 50%.
  • the pretreated bagasse was transferred to the second reactor hydrolysis agent) and its hydrolysis was conducted.
  • the hydrolytic reactor operated in thermophilic condition (55 ⁇ 0.5 ° C), pH around 5.5 and solids concentration around 15%, with semicontinuous feeding. Every two days, the second reactor was fed with exploded bagasse and part of the hydrolyzed bagasse (cake for disposal) was removed, and the retention time of solids was around 20 days.
  • the cellulosic and hemicellulosic fractions of the substrate used (pretreated bagasse) were converted into sugars of lower molecular weight by hydrolytic bacteria and commercial enzymes of cellulase and xylanase types, which aimed to increase the efficiency and hydrolysis productivity in the second reactor.
  • the second hydrolytic reactor was inoculated with 20% v / v anaerobic sludge, with total volatile solids concentration of 32gSTV.L 1 and specific methanogenic activity (AME) of 0.3gDQO.gSTV "1 .day " 1 using standard substrate, and with a commercial enzyme cocktail composed of cellulase and xylanase.
  • the enzymes were diluted with water and applied directly to the bagasse during each feed.
  • the sludge was purchased from an anaerobic digestion unit of brewery effluents and was adapted to the substrate used (pretreated bagasse) for about 30 days.
  • the parameters monitored in the second hydrolysis reactor to assist in monitoring the stability and performance of the reactor used in the process were: pH, temperature, alkalinity, volatile fatty acids, COD, total solids, suspended volatile solids, total volatile solids, solids. total lumps, bagasse density and moisture and cake density and moisture.
  • the hydrolyzed bagasse was subjected to solid / liquid separation, and the liquid obtained by filtration containing sugar-rich soluble (leached) compounds was sent to the third anaerobic digestion reactor.
  • the hydrolysis efficiency of the biomass was calculated considering the COD value of the bagasse entering the reactor, COD of the bagasse leaving the reactor and the COD of the leachate, obtained by the analysis of the liquid extracted from the hydrolyzed bagasse.
  • a solution containing specific nutrients was added. to promote the synthesis of cellulolytic enzymes by bacteria present in anaerobic sludge.
  • the efficiency of the second hydrolytic reactor was around 175% over Example 1.
  • the third anaerobic digestion reactor used was a UASB digestor reactor fed with the liquid fraction obtained after the hydrolysis of the bagasse by bacteria and commercial enzymes.
  • the ascending speed used was 0.5m / h, retention time around 3h and volumetric organic load suitable for this type of reactor.
  • the third UASB reactor was operated under mesophilic condition (37 ⁇ 0.5 ° C) and pH around 6.

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Abstract

A presente invenção insere-se no campo da tecnologia verde, por meio da produção de biogás, a partir de biomassa vegetal, em reatores operados em processo semicontínuo ou contínuo. A presente invenção refere-se a um processo de produção de biogás compreendendo as etapas de: (a) pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor; (b) hidrólise do material tratado na etapa (a) por bactérias hidrolí- ticas, com ou sem a adição de enzimas celulases, em conjunto ou não com enzimas xilanases; e (c) digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (b); em que as etapas (a), (b) e (c) são realizadas em reatores separados e o produto da etapa (c) é o biogás. A presente invenção refere-se ainda a um sistema para a realização do processo de produção de biogás também objeto da invenção, o qual compreende: (i) um primeiro reator para o pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor; (ii) um segundo reator para a hidrólise do material tratado na e- tapa (i) por bactérias hidrolíticas, com ou sem a adição de enzimas celulases, em conjunto ou não com enzimas xilanases; e (iii) um terceiro reator para a digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (ii).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E SISTEMA DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE BIOMASSA VEGETAL".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção insere-se no campo da tecnologia verde, por meio da produção de biogás, a partir de biomassa vegetal, em reatores operados em processo semicontínuo ou contínuo.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
As preocupações referentes ao aumento da demanda energéti- ca, ao acúmulo de CO2 atmosférico devido à queima dos combustíveis fósseis, à segurança energética nacional aliada ao fim dos combustíveis fósseis e ao desenvolvimento da economia rural são os principais motivos para a busca de fontes energéticas sustentáveis e provenientes de materiais renováveis. Métodos, materiais e técnicas de geração de novos produtos e pro- cessos que causem menos impacto ambiental e/ou que auxiliem na redução da poluição e dos danos ao meio ambiente são englobados no campo da tecnologia verde ou tecnologia ambiental.
Como um dos principais produtos agrícolas do Brasil, cultivada desde a época da sua colonização, a cana-de-açúcar constitui um potencial gerador de energia, com a vantagem de ser completamente renovável. O Brasil encontra-se em uma situação bastante favorável quanto à produção da cana-de-açúcar, sendo que até a segunda quinzena de novembro de 2008, aproximadamente 460 milhões de toneladas de cana foram processadas na safra 2008/2009. Em 2010, aproximadamente 654 milhões de tonela- das de cana foram processadas na safra de 2009/2010.
Como consequência do aumento da produção de etanol nos últimos anos, tem-se o aumento dos resíduos agroindustriais deste processo, tais como a palha e o bagaço da cana-de-açúcar. O potencial de produção de resíduos da cana-de-açúcar (matéria-seca) representa em média 14% da massa da cana. Dessa forma, para cada tonelada de cana produzida, têm-se 140kg de bagaço e 140kg de palha, e segundo dados da safra 2008/2009, o Brasil está acumulando aproximadamente 130 milhões de toneladas de resí-
CÓPIA DE CONFIRMAÇÃO duos (palha e bagaço de cana) (Seabra. Análise de opções tecnológicas para uso integral da biomassa no setor de cana-de-açúcar e suas implicações. Tese de doutorado. Unicamp, 298p., 2008). Segundo dados da safra de 2009/2010, o acúmulo é de aproximadamente 183 milhões de toneladas de resíduos (palha e bagaço de cana).
A composição do bagaço e da palha de cana é variável; o maior componente é a celulose (40-50%), seguido de hemicelulose (20-30%) e lignina (25-35%). Cinzas, compostos fenólicos, ácidos graxos e outros constituintes, denominados extrativos, compõem a fração remanescente destas biomassas vegetais (Reddy, N.; Yang, Y. Biofibers from agricultural bypro- ducts for industrial applications. Trends in Biotechnology, v.23, p.22-27, 2005). As frações celulósica e hemicelulósica podem ser hidrolisadas e convertidas em açúcares fermentescíveis, por métodos físicos (por exemplo explosão a vapor), químicos (por exemplo álcalis, ácidos, solventes, gases) e biológicos (por exemplo enzimas ou fungos).
Como alternativas económicas para a utilização do bagaço e da palha residual de cana, podem ser citados como exemplos: uso como combustível nas caldeiras de indústrias/fazendas, uso na indústria de papel e papelão, uso na produção de biomassa microbiana e uso na alimentação de animais.
O potencial energético observado para o volume de resíduos de cana-de-açúcar também pode ser verificado em outras culturas, como, por exemplo, arroz (casca de arroz), milho (palha de milho), cevada (palha de cevada), trigo (palha de trigo), madeira (cavacos de eucalipto) e banana (pseudocaule de bananeira). Toda esta biomassa vegetal tem sido objeto de uma série de estudos para aplicações em tecnologias verdes para obtenção de produtos de interesse industrial, como álcoois (por exemplo, etanol, buta- nol), ácidos orgânicos (por exemplo, ácido láctico, acético, cítrico) e biogás.
A digestão anaeróbia é um processo realizado por um consórcio de micro-organismos sob condições anaeróbias (ausência de oxigénio) convertendo o material orgânico complexo em compostos mais simples e material celular. O biogás gerado é composto de metano, dióxido de carbono, água, gás sulfídrico, amónia entre outros, dependendo da composição da biomassa empregada. O processo é desenvolvido em estágios sequenciais envolvendo processos metabólicos complexos, que dependem da atividade de, no mínimo, quatro grupos de micro-organismos, sendo: bactérias hidrolí- ticas, responsáveis pela liberação de exoenzimas que catalisam a hidrólise de polímeros orgânicos complexos como a pectina, a hemicelulose e a celulose a açúcares, ácidos carboxílicos de cadeia longa e glicerol; bactérias acidogênicas, que metabolizam os produtos hidrolisados em outros ainda mais simples como ácidos carboxílicos de cadeia curta, álcoois, ácido lácti- co, CO2, H2, NH3 e H2S em função das condições do meio; bactérias aceto- gênicas, que convertem os produtos resultantes do metabolismo das acidogênicas em acetato, hidrogénio e dióxido de carbono e, por fim, estes são convertidos a metano e dióxido de carbono, pelas bactérias metanogênicas (Chernicharo, CAL. Reatores anaeróbios. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental-UFMG, 246p.,1997).
Alguns parâmetros possuem uma significância maior no monito- ramento de reatores anaeróbios por serem um indicativo da eficiência, do estágio operacional e de alterações externas ou internas dos processos que ocorrem no reator. Podemos destacar a alcalinidade, o pH, os ácidos graxos voláteis (AGV) e a temperatura como os fatores mais preponderantes
A temperatura no processo de digestão anaeróbia exerce influência forte sobre a taxa de conversão do material orgânico e sobre as espécies predominantes em determinada faixa de temperatura. Há três faixas de temperatura que possuem alguma relação com o crescimento microbiano na maioria dos processos biológicos, a saber: a faixa psicrófila compreendida entre 4 e 15°C; a faixa mesófila de 20 a 40°C e a faixa termófila entre 45 e 70°C (Lettinga, G. Sustainable integrated biological wastewater treatment. Water Science and Technology, v. 33, n. 3. p. 85-98, 1996).
Alcalinidade de um sistema é a capacidade que este tem de neutralizar ácidos, resultado da presença de espécies químicas de natureza alcalina. A alcalinidade é um indicativo da capacidade tamponante de um determinado sistema e sendo assim, para uma alcalinidade alta, não deve ser entendida que o pH esteja necessariamente alto. Os ácidos graxos voláteis mantêm uma relação estreita com a alcalinidade. Os ácidos formados no processo tendem a reduzir o pH tornando-o ácido e inadequado aos processos anaeróbios. Neste sentido o efeito tamponante da solução evita quedas brus- cas e oscilações frequentes do pH (Chemicharo, CAL. Reatores anaeróbios. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental-UFMG, 246p.,1997).
Um tipo de digestor anaeróbio muito utilizado é o tipo UASB (Up- flow Anaeróbio Sludge Bed), que proporciona mecanismos de contato intensivo entre o substrato afluente e as bactérias, com eficiências que variam de 70 a 85%. Devido à capacidade de aplicação de elevadas cargas orgânicas, articulada à alta capacidade de retenção celular, os reatores UASB são considerados um dos sistemas anaeróbios com maior aplicação prática no tratamento de águas residuárias domésticas e industriais.
Um exemplo de sistema de hidrólise e digestão de sólidos para a produção de biogás é descrito no documento de patente U.S. 2008/193994 (publicado em 14.08.2008, em nome de Chris E. Choate e James H. Lord), no qual a matéria-prima é composta por uma mistura de resíduo sólido municipal e esgoto doméstico, e compreende: 1) um sistema de produção de biomassa configurado para a conversão de resíduos orgânicos sólidos em biomassa uniforme; 2) um reator de hidrólise configurado para converter a biomassa em sólidos residuais e um líquido contendo compostos solúveis, por meio de hidrólise e fermentação ácida volátil; e 3) um digestor anaeróbio configurado para receber rejeitos líquidos contendo os compostos solúveis em conjunto com esgoto sanitário para produzir biogás a partir dos mesmos.
Na presente invenção poderão ser utilizados materiais lignocelu- lósicos de diversas fontes para a produção de biogás, em que a etapa 1 é um pré-tratamento realizado em reator hidrolítico, através do processo de explosão a vapor e a etapa de hidrólise da biomassa é realizada com bactérias hidrolíticas, podendo ter a adição de catalisador biológico (enzimas in- dustriais) combinado com estas bactérias hidrolíticas. Na etapa 3, apenas o líquido removido após a etapa de hidrólise é adicionado ao reator de digestão anaeróbia, sem a utilização de nenhum substrato adicional como esgoto sanitário para produção de biogás.
O documento de patente U.S. 2010/0173354 (publicado em 08.07.2010, em nome de Bjoern Schwarz et aí.) descreve um processo para a fermentação de matéria-prima renovável de silagem, o qual compreende: 1) lavagem e esmagamento da matéria-prima renovável de silagem; 2) remoção de pelo menos parte da água do material; 3) hidrólise do material utilizando lodo ativado de estação de tratamento de esgoto e opcionalmente, esterco e 4) produção de biogás a partir do material hidrolisado, em fermen- tadores. As etapas de tratamento da matéria-prima renovável de silagem, hidrólise e fermentação podem ser realizadas separadamente.
A presente invenção diferencia-se pela etapa de pré-tratamento empregado (explosão a vapor), matéria-prima e também pela possibilidade de adição de catalisador biológico na etapa de hidrólise. A biomassa é hidrolisada na etapa 2 e o líquido proveniente da separação sólido/líquido é utili- zado na etapa 3 para a produção de biogás, diferentemente do que ocorre na patente U.S. 2010/0173354, na qual ambas as frações sólida e líquida do material hidrolisado são utilizadas nos digestores para a produção de biogás.
As celulases são usualmente uma mistura de diversas enzimas que catalisam a hidrólise da celulose, convertendo-a em açúcares redutores (principalmente glicose) que podem ser utilizados por micro-organismos para a produção de insumos de interesse industrial. Admite-se a existência de três tipos de celulases, responsáveis pela hidrólise da celulose: (1) endoce- lulase - responsável pelo rompimento de ligações poliméricas que conferem estrutura cristalina à celulose; (2) exocelulase - cliva segmentos das cadeias expostas pela endocelulase, gerando celobiose (dissacarídio); e (3) beta- glicosidase - hidrolisa celobiose, gerando monômeros de glicose. As xilana- ses catalisam a hidrólise da fração hemicelulósica da biomassa, produzindo hidrolisado com cerca de 90% de pentoses (principalmente xilose e arabino- se) (Sun, Y.; Cheng, J. Hydrolysis of lignocellulosic materiais for ethanol pro- duction: a review. Bioresource Technology, v. 83, p. 1 - 1 1 , 2002).
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um processo de produção de biogás compreendendo as etapas de:
(a) pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(b) hidrólise do material tratado na etapa (a) por bactérias hidrolí- ticas, com ou sem a adição de enzimas celulases em conjunto ou não com enzimas xilanases; e
(c) digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (b);
em que as etapas (a), (b) e (c) são realizadas em reatores separados e o produto da etapa (c) é o biogás.
A presente invenção refere-se ainda a um sistema para a realização do processo de produção de biogás também objeto da invenção, o qual compreende:
(i) um primeiro reator para o pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(ii) um segundo reator para a hidrólise do material tratado na e- tapa (i) por bactérias hidrolíticas, com ou sem a adição de enzimas celulases em conjunto ou não com enzimas xilanases; e
(iii) um terceiro reator para a digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (ii).
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Figura 1 - A figura 1 corresponde à representação esquemática do sistema e do processo de produção de biogás a partir de biomassa vegetal, com um reator de pré-tratamento por explosão a vapor (10), um reator de hidrólise (20) e um reator de digestão anaeróbia (30), sem adição de enzi- mas industriais de acordo com a presente invenção.
Figura 2 - A figura 2 corresponde à representação esquemática do sistema e do processo de produção de biogás a partir de biomassa vegetal, com um reator de pré-tratamento por explosão a vapor (10), um reator de hidrólise (20) e um reator de digestão anaeróbia (30), com adição de enzi- mas industriais de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um processo de produção de biogás compreendendo as etapas de:
(a) pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(b) hidrólise do material tratado na etapa (a) por bactérias hidrolí- ticas, com ou sem adição de enzimas celuiases, em conjunto ou não com enzimas xiianases; e
(c) digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (b);
em que as referidas etapas (a), (b) e (c) são realizadas em reatores separados e o produto da etapa (c) é o biogás.
A produção de biogás de acordo com a invenção é realizada a partir de biomassa vegetal, que pode ser selecionada a partir do grupo consistindo em: bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, casca de arroz, palha de milho, palha de cevada, palha de trigo, cavacos de eucalipto, pseudocaule de bananeira e misturas dos mesmos.
A primeira etapa do processo da invenção, a etapa (a), compreende o pré-tratamento do material lignocelulósico em um primeiro reator, através de explosão a vapor, como apresentado esquematicamente nas figuras 1 e 2 (reator 10). A hemicelulose, por apresentar estrutura amorfa e menor grau de polimerização que a celulose, é hidrolisada parcialmente ou completamente nesta etapa de pré-tratamento, dependendo das condições de reação empregadas. O referido pré-tratamento também visa à desestrutu- ração da fibra da biomassa vegetal, reduzindo a cristalinidade e aumentando a porosidade, de modo a facilitar a hidrólise da fração celulósica.
O pré- tratamento da etapa (a) do processo da invenção com- preende explosão a vapor pela aplicação de vapor d'água na biomassa vegetal, no referido primeiro reator, com temperaturas que variam de 160- 260°C, o que corresponde a pressões de 0,62- 4,7MPa e tempo de reação variando de alguns segundos a poucos minutos antes da descompressão. Preferencialmente, a reação deve ser realizada a temperaturas na faixa de 180-220°C e tempos de reação de 3-15 minutos.
O processo de explosão a vapor consiste na descompressão súbita de um sistema pressurizado contendo o vapor d'água saturado à ele- vada pressão e a biomassa vegetal. A água, sob elevada pressão, penetra na estrutura celular da biomassa, hidrata a celulose e hidrolisa a hemicelulo- se. As pentoses da fração hemicelulósica podem ser separadas e o acesso das enzimas à celulose é facilitado. Antes da etapa de hidrólise (b), os açú- cares provenientes da fração hemicelulósica podem ser transferidos para fase líquida por uma etapa de lavagem da biomassa, e este líquido rico em material orgânico pode ser enviado diretamente para a etapa c (digestão anaeróbia). A biomassa pré-tratada apresenta umidade em torno de 55-60%.
A segunda etapa do processo da invenção, a etapa (b), compre- ende a hidrólise do material tratado na referida etapa (a) em um segundo reator. O material tratado na etapa (a) sofre hidrólise no referido segundo reator (reator 20, conforme apresentado nas figuras 1 e 2) o qual pode operar com temperatura na faixa mesofílica ou termofílica, preferencialmente na faixa de 45-55°C. Bactérias hidrolíticas são adicionadas ao reator, o qual deve ser operado com pH entre 5,0-8,0, preferivelmente 5,0-6,0. A concentração de sólidos totais no reator de hidrólise está compreendida na faixa de 5-50%, sendo preferivelmente 5-15% para este processo. Enzimas industriais (celulases em conjunto ou não com enzimas xilanases) podem ser adicionadas ao reator nesta etapa, em conjunto com as bactérias hidrolíticas para elevar a eficiência da hidrólise.
O pH pode ser controlado pela adição de agentes alcalinizantes (bases fortes ou fracas), preferivelmente hidróxido de sódio ou ureia. Alternativamente, o controle do pH pode ser obtido recirculando o material contido no reator, com ou sem a adição dos alcalinizantes.
No reator de hidrólise, as frações celulósica e hemicelulósica podem ser convertidas em compostos de menor massa molecular por bactérias hidrolíticas. A adição das enzimas industriais, celulases e xilanases, tem o objetivo de aumentar a eficiência e produtividade da reação de hidrólise, uma vez que o produto da hidrólise pode ser prontamente convertido pelas bactérias acidogênicas e acetogênicas a ácidos orgânicos voláteis.
O fungo Trichoderma reesei é o micro-organismo mais utilizado industrialmente para a produção de celulases e xilanases, mas algumas bac- térias também são capazes de produzir tais enzimas, como, por exemplo, Clostridium thermocellum, Ruminococcus albus e Streptomyces sp. (Corredor et al. Pretreatment and Enzymatic Hydroiysis of Sorghum Bran. Cereal Chemistry, v.84, p.61-66, 2007). As bactérias hidrolíticas podem ser selecio- nadas a partir de lodos anaeróbios provenientes de estações de tratamentos de efluentes domésticos ou industriais. Os micro-organismos devem ser a- daptados ao meio contendo a biomassa empregada, durante um período que pode variar de 20-60 dias. A carga orgânica volumétrica mais adequada aplicada no reator está na faixa de 5-30 g DQO/L.dia, mais preferivelmente de 10-20 g DQO/L.dia. Esta carga orgânica deve ser aumentada lentamente, garantindo condições que propiciem o desenvolvimento de bactérias hidrolíticas.
O reator de hidrólise que será componente deste processo dife- rencia-se dos reatores comumente empregados para hidrólise de biomassa, como por exemplo, do sistema utilizado para produção de etanol de segunda geração. Para o etanol de segunda geração, se utiliza apenas enzimas e os produtos da hidrólise são carboidratos. Na presente invenção, estes carboi- dratos são convertidos a ácidos orgânicos voláteis pelas bactérias acidogê- nicas e acetogênicas presentes no reator.
O tipo e a dosagem das enzimas empregadas no processo de hidrólise são dependentes de fatores como: composição da biomassa, grau de cristalinidade da cadeia polimérica, tipo de pré-tratamento empregado e condições de processo, principalmente temperatura e pH.
A hidrólise da fração celulósica da biomassa vegetal para produ- ção de biogás pode ser realizada com adição de celulases, em quantidades de cerca de 0,05-5% em massa de sólidos totais (ST), mais preferivelmente de 0,5-4% em massa de ST. A xilanase é adicionada em uma quantidade suficiente para hidrolisar a hemicelulose em xilose, em concentrações de 0,001-1 % em massa de ST, mais preferivelmente de 0,05-0,2%. No entanto, o tratamento da hemicelulose com a adição de xilanase não é obrigatório de acordo com a presente invenção, após o pré-tratamento com explosão a vapor. As bactérias hidrolíticas do referido segundo reator (etapa (b)) são obtidas pela inoculação do mesmo com 5-40% v/v de lodo anaeróbio, preferivelmente de 0-20% v/v. Tal inoculação visa à conversão da biomas- sa em carboidratos, com subsequente produção de ácidos orgânicos, os quais poderão ser convertidos a metano e dióxido de carbono no terceiro reator de digestão anaeróbia da etapa (c) detalhada a seguir.
Na etapa (b), o referido segundo reator pode compreender adicionalmente uma solução de nutrientes orgânicos, com objetivo de estimular a produção de enzimas pelas bactérias hidrolíticas. A solução de nutrientes ideal, deve conter macro (N-NH4 +, P-PO43", Mg, Ca) e micro-nutrientes (Fe, Ni, Zn, Co, etc), bem como alcalinidade (NaHC03 ou KH2P04 e K2HP04) (Aquino et al. Eng. San. Amb. vol.12 - n° 2 (2007), p. 192-201 ). Uma fração da solução de nutrientes pode ser composta por vinhaça (5-20%), subproduto do processo de destilação para produção de etanol de usinas de álcool e açúcar. A quantidade de nutrientes adicionada deve ser suficiente para o desenvolvimento de bactérias hidrolíticas.
Finalizada a hidrólise da etapa (b), realiza-se a separação sólido/líquido do material hidrolisado, o que pode ser feito por filtração, prensagem ou centrifugação. O líquido obtido é encaminhado para a etapa (c) pos- terior.
Os parâmetros monitorados no reator de hidrólise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho dos reatores, são pH, temperatura, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, DQO (Demanda Química de Oxigénio), sólidos totais, sólidos suspensos, sólidos voláteis, densi- dade e umidade da biomassa.
A terceira etapa do processo da invenção, a etapa (c), compreende a digestão anaeróbia do material hidrolisado na referida etapa (b), em um terceiro reator (reator 30, conforme apresentado nas figuras 1 e 2). O material hidrolisado na referida etapa (b) é submetido à digestão anaeróbia no referido terceiro reator, o qual opera com temperatura na faixa mesofílica, mais preferencialmente de 30-40°C.
O pH pode ser controlado pela adição de agentes alcalinizantes, tais como ureia ou hidróxido de sódio, e deve ser mantido na faixa de 6,0- 8,0, mais preferivelmente de 6,0-7,0. Alternativamente, o controle do pH pode ser obtido recirculando o material contido no reator, com ou sem a adição de alcalinizantes.
Na presente invenção, pode-se utilizar um reator tipo UASB, alimentado com a fração líquida obtida após a hidrólise do bagaço por bactérias, com ou sem a adição de enzimas. A velocidade ascensional utilizada está compreendida na faixa de 0,3-1 ,5 m/h, mais preferencialmente de 0,5- 1 ,0 m/h, tempo de retenção de 4-15 horas, preferencialmente de 7-10 horas, e carga orgânica volumétrica de 3-30 gDQO/Ldia, preferencialmente de 10- 20 gDQO/Ldia.
A presente invenção refere-se ainda a um sistema para a realização do processo de produção de biogás também objeto da invenção, o qual compreende:
(i) um primeiro reator para o pré-tratamento de material orgânico ou biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(ii) um segundo reator para a hidrólise do material tratado na e- tapa (i) por bactérias hidrolíticas, com ou sem adição de enzimas celulases, em conjunto ou não com enzimas xilanases; e
(iii) um terceiro reator para a digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (ii).
EXEMPLOS:
EXEMPLO 1 :
Utilizou-se bagaço de cana-de-açúcar como material de biomas- sa, o qual foi submetido a um pré-tratamento, em um primeiro reator de explosão a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressão de 1 ,6 MPa (16 bar) e tempo de reação de 7 minutos. A umidade do bagaço explodido situou-se em torno de 50%.
O bagaço pré-tratado foi transferido para o segundo reator (rea- tor de hidrólise) e sua hidrólise foi conduzida. O reator hidrolítico operou em condição mesofíiica (37 ± 0,5°C), pH em torno de 5,5 e concentração de sólidos em torno de 15%, com alimentação semicontínua. A cada dois dias, o segundo reator foi alimentado com bagaço explodido e foi retirada uma parte do bagaço hidrolisado (torta para descarte), sendo que o tempo de retenção de sólidos foi em torno de 20 dias.
No segundo reator de hidrólise, as frações celulósica e hemice- lulósica do substrato utilizado (bagaço pré-tratado) foram convertidas em açúcares de menor massa molecular, por bactérias hidrolíticas. Para isso, o segundo reator hidrolítico foi inoculado com 20% v/v de lodo anaeróbio, com concentração de sólidos voláteis totais de 32gSTV.L~1 e atividade metanogê- nica específica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1.dia"1 utilizando substrato padrão. O lodo foi adquirido de uma unidade de digestão anaeróbia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagaço pré-tratado) por cerca de 30 dias.
Os parâmetros monitorados no segundo reator de hidrólise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, DQO, sólidos totais, sólidos voláteis suspensos, sólidos voláteis totais, sólidos fixos totais, densidade e umidade do bagaço e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido o tempo de hidrólise (48h), o bagaço hidrolisado foi submetido à separação sólido/líquido, e o líquido obtido por filtração contendo compostos solúveis (lixiviado), rico em açúcares, foi enviado para o terceiro reator de digestão anaeróbia.
Não foi empregado nenhum tipo de catalisador no processo, como enzimas industriais ou ácidos inorgânicos.
O terceiro reator de digestão anaeróbia utilizado foi um reator di- gestor do tipo UASB, alimentado com a fração líquida obtida após a hidrólise do bagaço por bactérias. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retenção em torno de 3h e carga orgânica volumétrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condição mesofí- lica (37 ±0,5°C) e pH em torno de 6.
EXEMPLO 2:
Utilizou-se bagaço de cana-de-açúcar como material de biomas- sa, o qual foi submetido a um pré-tratamento, em um primeiro reator de ex- plosão a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressão de 1 ,6 MPa (16 bar) e tempo de reação de 7 minutos. A umidade do bagaço explodido situou-se em torno de 50%.
O bagaço pré-tratado foi transferido para o segundo reator (rea- tor de hidrólise) e sua hidrólise foi conduzida. O reator hidrolítico operou em condição mesofílica (37 ± 0,5°C), pH em torno de 5,5 e concentração de sólidos em torno de 15%, com alimentação semicontínua. A cada dois dias, o segundo reator foi alimentado com bagaço explodido e foi retirada uma parte do bagaço hidrolisado (torta para descarte), sendo que o tempo de retenção de sólidos foi em torno de 20 dias.
No segundo reator de hidrólise, as frações celulósica e hemice- lulósica do substrato utilizado (bagaço pré-tratado) foram convertidas em açúcares de menor massa molecular, por bactérias hidrolíticas e enzimas comerciais dos tipos celulase e xilanase, cujo objetivo foi aumentar a eficiên- cia e a produtividade da hidrólise no segundo reator. Para isso, o segundo reator hidrolítico foi inoculado com 20% v/v de lodo anaeróbio, com concentração de sólidos voláteis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanogênica específica (AME) de 0,3gDQO.gSTV1.dia~1 utilizando substrato padrão, e com um coquetel de enzima comercial composto por celulases e xilanases. As enzimas eram diluídas em água e aplicadas diretamente ao bagaço durante cada alimentação. O lodo foi adquirido de uma unidade de digestão anaeróbia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagaço pré-tratado) por cerca de 30 dias.
Os parâmetros monitorados no segundo reator de hidrólise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, DQO, sólidos totais, sólidos voláteis suspensos, sólidos voláteis totais, sólidos fixos totais, densidade e umidade do bagaço e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido o tempo de hidrólise (48h), o bagaço hidrolisado foi submetido à separação sólido/líquido, e o líquido obtido por filtração contendo compostos solúveis (lixiviado), rico em açúcares, foi enviado para o terceiro reator de digestão anaeróbia. A eficiência de hidrólise da biomassa foi calculada considerando o valor de DQO do bagaço que entra no reator, DQO do bagaço que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido pela análise do líquido extraído do bagaço hidrolisado. A eficiência do segundo reator hidrolítico aumentou em torno de 150% com relação ao Exem- pio 1.
O terceiro reator de digestão anaeróbia utilizado foi um reator di- gestor do tipo UASB, alimentado com a fração líquida obtida após a hidrólise do bagaço por bactérias e enzimas comerciais. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retenção em torno de 3h e carga orgânica volumétrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condição mesofílica (37 ±0,5°C) e pH em torno de 6.
EXEMPLO 3:
Utilizou-se bagaço de cana-de-açúcar como material de biomassa, o qual foi submetido a um pré-tratamento, em um primeiro reator de ex- plosão a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressão de 1 ,6 MPa (16 bar) e tempo de reação de 7 minutos. A umidade do bagaço explodido situou-se em torno de 50%.
O bagaço pré-tratado foi transferido para o segundo reator (reator de hidrólise) e sua hidrólise foi conduzida. O reator hidrolítico operou em condição termofílica (55 ± 0,5°C), pH em torno de 5,5 e concentração de sólidos em torno de 15%, com alimentação semicontínua. A cada dois dias, o segundo reator foi alimentado com bagaço explodido e foi retirada uma parte do bagaço hidrolisado (torta para descarte), sendo que o tempo de retenção de sólidos foi em torno de 20 dias.
No segundo reator de hidrólise, as frações celulósica e hemice- lulósica do substrato utilizado (bagaço pré-tratado) foram convertidas em açúcares de menor massa molecular, por bactérias hidrolíticas. Para isso, o segundo reator hidrolítico foi inoculado com 20% v/v de lodo anaeróbio, com concentração de sólidos voláteis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanogê- nica específica (AME) de 0,3gDQO.gSTV" .dia"1 com substrato padrão. O lodo foi adquirido de uma unidade de digestão anaeróbia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagaço pré-tratado) por cer- ca de 30 dias.
Os parâmetros monitorados no segundo reator de hidrólise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, DQO, sólidos totais, sólidos voláteis suspensos, sólidos voláteis totais, sólidos fixos totais, densidade e umidade do bagaço e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido o tempo de hidrólise (48h), o bagaço hidrolisado foi submetido à separação sólido/líquido, e o líquido obtido por filtração contendo compostos solúveis (lixiviado), rico em açúcares, foi envi- ado para o terceiro reator de digestão anaeróbia. A eficiência de hidrólise da biomassa foi calculada considerando o valor de DQO do bagaço que entra no reator, DQO do bagaço que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido pela análise do líquido extraído do bagaço hidrolisado. Para aumentar a eficiência da hidrólise, foi adicionada uma solução contendo nutrientes especí- ficos para promover a síntese de enzimas celulolíticas pelas bactérias presentes no lodo anaeróbico. A eficiência do segundo reator hidrolítico foi em torno de 150% maior que o Exemplo 1.
Não foi empregado nenhum tipo de catalisador no processo, como enzimas industriais ou ácidos inorgânicos.
O terceiro reator de digestão anaeróbia utilizado foi um reator di- gestor do tipo UASB alimentado com a fração líquida obtida após a hidrólise do bagaço por bactérias. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retenção em torno de 3h e carga orgânica volumétrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condição mesofí- lica (37 ±0,5°C) e pH em torno de 6.
EXEMPLO 4:
Utilizou-se bagaço de cana-de-açúcar como material de biomassa, o qual foi submetido a um pré-tratamento, em um primeiro reator de explosão a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressão de 1 ,6 MPa (16 bar) e tempo de reação de 7 minutos. A umidade do bagaço explodido situou-se em torno de 50%.
O bagaço pré-tratado foi transferido para o segundo reator (rea- tor de hidrólise) e sua hidrólise foi conduzida. O reator hidrolítico operou em condição termofílica (55 ± 0,5°C), pH em torno de 5,5 e concentração de sólidos em torno de 15%, com alimentação semicontínua. A cada dois dias, o segundo reator foi alimentado com bagaço explodido e foi retirada uma parte do bagaço hidrolisado (torta para descarte), sendo que o tempo de retenção de sólidos foi em torno de 20 dias.
No segundo reator de hidrólise, as frações celulósica e hemice- lulósica do substrato utilizado (bagaço pré-tratado) foram convertidas em açúcares de menor massa molecular, por bactérias hidrolíticas e enzimas comerciais dos tipos celulase e xilanase, cujo objetivo foi aumentar a eficiência e a produtividade da hidrólise no segundo reator. Para isso, o segundo reator hidrolítico foi inoculado com 20% v/v de lodo anaeróbio, com concentração de sólidos voláteis totais de 32gSTV.L1 e atividade metanogênica específica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1.dia"1 utilizando substrato padrão, e com um coquetel de enzima comercial composto por celulase e xilanase. As enzimas eram diluídas em água e aplicadas diretamente ao bagaço durante cada alimentação. O lodo foi adquirido de uma unidade de digestão anaeróbia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagaço pré-tratado) por cerca de 30 dias.
Os parâmetros monitorados no segundo reator de hidrólise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, DQO, sólidos totais, sólidos voláteis suspensos, sólidos voláteis totais, sólidos fixos totais, densidade e umidade do bagaço e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido o tempo de hidrólise (48h), o bagaço hidrolisado foi submetido à separação sólido/líquido, e o líquido obtido por filtração contendo compostos solúveis (lixiviado), rico em açúcares, foi enviado para o terceiro reator de digestão anaeróbia. A eficiência de hidrólise da biomassa foi calculada considerando o valor de DQO do bagaço que entra no reator, DQO do bagaço que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido pela análise do líquido extraído do bagaço hidrolisado. Para aumentar a eficiência da hidrólise, foi adicionada uma solução contendo nutrientes especí- ficos para promover a síntese de enzimas celulolíticas pelas bactérias presentes no lodo anaeróbico. A eficiência do segundo reator hidrolítico foi em torno de 175% em relação ao Exemplo 1.
O terceiro reator de digestão anaeróbia utilizado foi um reator digestor do tipo UASB alimentado com a fração líquida obtida após a hidrólise do bagaço por bactérias e enzimas comerciais. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retenção em torno de 3h e carga orgânica volumétrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condição mesofílica (37 ± 0,5°C) e pH em torno de 6.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Processo de produção de biogás, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:
(a) pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(b) hidrólise do material tratado na etapa (a) por bactérias hidrolí- ticas; e
(c) digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (b);
em que as etapas (a), (b) e (c) são realizadas em reatores sepa- rados e o produto da etapa (c) é o biogás.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a biomassa vegetal da etapa (a) é selecionada a partir do grupo consistindo em bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, casca de arroz, palha de milho, palha de cevada, palha de trigo, cavacos de euca- lipto, pseudocaule de bananeira e misturas dos mesmos.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa (a) compreende o processo de explosão a vapor para o pré-tratamento da biomassa vegetal, em um reator com temperatura de 160 a 260°C e pressão de 0,62 a 4,7 MPa.
4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de a biomassa obtida na etapa (a) pode ser submetida a uma etapa de lavagem para recuperação de material orgânico proveniente da hidrólise da fração hemicelulósica, sendo que este líquido pode ser enviado diretamente para o reator da etapa (c).
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
4, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende a hidrólise do material tratado na etapa (a), em um reator que pode operar em condições me- sofílicas, com bactérias hidrolíticas, pH de 5,0-8,0, preferencialmente de 5,0- 6,0, concentração de sólidos de 5-50%, sendo preferencialmente de 5-15%, alimentação semicontínua ou contínua e temperatura de 20-70°C, preferencialmente de 30-40°C.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- 4, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende a hidrólise do material tratado na etapa (a), em um reator que pode operar em condições ter- mofílicas, com bactérias hidrolíticas, pH de 5,0-8,0, preferencialmente de 5,0-6,0, concentração de sólidos de 5-50%, sendo preferencialmente de 5- 15%, alimentação semicontínua ou contínua e temperatura de 20-70°C, preferencialmente de 45-55°C.
7. Processo de acordo com as reivindicações 5 e 6 , caracterizado pelo fato de que o pH é controlado pela adição de agentes alcalinizantes como ureia e hidróxido de sódio, alternativamente com recirculação do mate- rial contido no reator com ou sem a adição de alcalinizantes.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
7, caracterizado pelo fato de que as bactérias hidrolíticas do reator da etapa (b) são obtidas pela inoculação do referido reator com 5-40-% v/v de lodo anaeróbio, preferivelmente de 10-20 %v/v.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
8, caracterizado pelo fato de que o reator da etapa (b) compreende ainda adição de uma solução de nutrientes orgânicos.
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
9, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende ainda adição de enzimas celulases em conjunto ou não com enzimas xilanases^
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
10, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende ainda a separação sólido/líquido do material hidrolisado da etapa (b), em que o líquido contendo material orgânico solúvel é obtido e encaminhado para a etapa (c).
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
11 , caracterizado pelo fato de que a etapa (c) compreende a digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (b), em um reator apresentando condições mesofílicas, com temperatura preferencialmente de 30-40°C, pH de 6,0-8,0, sendo preferencialmente de 6,0-7,0.
13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o pH é controlado pela adição de agentes alcalinizantes, como ureia e hidróxido de sódio, alternativamente com recirculação do mate- rial contido no reator com ou sem a adição de alcalinizantes.
14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
13, caracterizado pelo fato de o processo poder ser realizado sem adição de enzimas industriais.
15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-
14, caracterizado pelo fato de o processo poder ser realizado com adição de enzimas industriais.
16. Sistema para a realização do processo de produção de bio- gás como definido em qualquer uma das reivindicações 1-15, caracterizado pelo fato de que compreende:
(i) um primeiro reator para o pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor;
(ii) um segundo reator para a hidrólise do material tratado na e- tapa (i) por bactérias hidrolíticas; e
(iii) um terceiro reator para a digestão anaeróbia do material hidrolisado na etapa (ii).
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