WO2017168207A1 - Pre-treatment process for lignocellulosic biomass for producing carbohydrates and other byproducts - Google Patents

Pre-treatment process for lignocellulosic biomass for producing carbohydrates and other byproducts Download PDF

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Abstract

A pre-treatment process for lignocellulosic biomass is described, used for producing carbohydrates and other subproducts in two steps, at least one nitrogenated additive, particularly carbamide, being used in at least one step, in a hydrothermal process that ensures maximum recovery of sugars from hemicelluloses and cellulose and minimum degradation of the sugars provided, producing carbohydrates that can be converted into biofuels and chemicals, such as ethanol, butanol and a multiplicity of products of industrial interest by chemical and biochemical pathways.

Description

PROCESSO DE PRÉ-TR AT AMENTO DE BIOMASSA  PRE-TR PROCESS AT BIOMASS
LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUÇÃO DE CARBOIDRATOS E LIGNOCELLULOSIS FOR CARBOHYDRATE PRODUCTION AND
OUTROS SUBPRODUTOS CAMPO DA INVENÇÃO OTHER FIELD OF THE INVENTION
[01] A presente invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos. Mais especificamente compreende um processo de pré- tratamento da biomassa lignocelulósicamediante pelo menos uma etapa de tratamento hidrotérmico em reator e impregnação de aditivo alcalino nitrogenado, sem necessidade de recirculação ou recuperação do aditivo.  [01] The present invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts. More specifically it comprises a lignocellulosic biomass pretreatment process by means of at least one reactor hydrothermal treatment step and impregnation of nitrogenous alkaline additive without recirculation or recovery of the additive.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
[02] Considerando a crise do petróleo e as mudanças climáticas devidas ao efeito estufa causado pela emissão de gases, um dos maiores desafios para os próximos anos é a produção de energia a partir de fontes renováveis, especialmente a partir de resíduos agroindustriais ou de madeira, que são principalmente compostas de biomassa lignocelulósica.  [02] Given the oil crisis and greenhouse gas climate change, one of the biggest challenges for the coming years is the production of energy from renewable sources, especially from agro-industrial or wood waste. , which are mainly composed of lignocellulosic biomass.
[03] A biomassa lignocelulósica é composta em média por 10-18% de lignina, 12-20% de hemiceluloses e 50% de celulose. O conteúdo de celulose cristalina e dos demais componentes dependem da vegetação de origem e de características intrínsecas da planta [Balat, M.; Balat, H.; ÕZ, C; Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, 551 ].  [03] Lignocellulosic biomass comprises on average 10-18% lignin, 12-20% hemicelluloses and 50% cellulose. The crystalline cellulose content and other components depend on the source vegetation and intrinsic characteristics of the plant [Balat, M .; Balat, H .; ÕZ, C; Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, 551].
[04] Os desafios mais urgentes e importantes provenientes da utilização da biomassa lignocelulósica para a produção de biocombustíveis estão relacionados à necessidade de sinergia entre os processos de desorganização do complexo formado por lignina, hemiceluloses e celulose; e as etapas posteriores, onde são realizadas a sacarificação e a fermentação enzimática [Martin, C; et. al. Quim. Nova. 2010, 33, 904]. [04] The most urgent and important challenges arising from the use of lignocellulosic biomass for biofuel production are related to the need for synergy between the lignin complex disorganization processes, hemicelluloses and cellulose; and the later stages, where saccharification and enzymatic fermentation are performed [Martin, C; et. al. Quim New 2010, 33, 904].
[05] A utilização da biomassa lignocelulósica para produção de combustíveis líquidos exige pré-tratamentos que buscam propiciar maior acessibilidade à celulose e hemiceluloses que estão numa estrutura ramificada com diferentes graus de cristalinidade.  [05] The use of lignocellulosic biomass for the production of liquid fuels requires pretreatments that seek to provide greater accessibility to cellulose and hemicelluloses that are in a branched structure with different degrees of crystallinity.
[06] Os métodos de pré-tratamento podem ser classificados em: técnicas físicas, químicas, biológicas e físico-químicas. Deste modo, um pré-tratamento deve: (i) eficiente na separação dos componentes da biomassa lignocelulósica, obtendo alta concentração de sacarídeos livres ao final; (ii) realizar o rompimento da ligação cruzada existente entre lignina e hemiceluloses na fibra celulósica; (iii) ocasionar a redução da cristalinidade da celulose, ao desfazer as ligações intermoleculares de hidrogénio existentes;(iv) não intoxicar o sistema; (v) aumentar a área superficial acessível às enzimas, facilitando a sacarificação, geralmente enzimática; (vi) ter baixo consumo energético e (vii) facilitar a recuperação da lignina extraída, que poderá tornar-se outros produtos, obedecendo ao conceito de biorrefinaria [Alviza, P.; Pejó, T. E.;Negro, M. G. Bioresour. Technol. 2010, 101 , 4851 ]. [06] Pretreatment methods can be classified into: physical, chemical, biological and physicochemical techniques. Thus, a pretreatment must: (i) efficiently separate lignocellulosic biomass components, obtaining high concentration of free saccharides at the end; (ii) disrupting the existing crosslink between lignin and hemicelluloses in the cellulosic fiber; (iii) cause the reduction of cellulose crystallinity by undoing the existing intermolecular hydrogen bonds, (iv) not intoxicating the system; (v) increase the surface area accessible to enzymes, facilitating saccharification, usually enzymatic; (vi) have low energy consumption and (vii) facilitate the recovery of extracted lignin, which may become other products, following the concept of biorefinery [Alviza, P .; Pejó, T. E. Black, M. G. Bioresour. Technol. 2010, 101, 4851].
[07] Os materiais lignocelulósicos têm dois tipos de área superficial, a externa que é dependente do tamanho e do formato das partículas e a interna dependente das características estruturais da fibra celulósica [Taherzadeh, M. J.; Karimi, K.lnt. J. Mol. Sei. 2008, 9, 1621 ] e [Wyman, CE. Handbook on bioethanol: production and utilization; Taylor & Francis: Washington DC, USA, 1996].  [07] Lignocellulosic materials have two types of surface area, the outer one that is dependent on particle size and shape and the inner one dependent on the structural characteristics of cellulosic fiber [Taherzadeh, M. J .; Karimi, K.lnt. J. Mol. I know. 2008, 9, 1621] and [Wyman, CE. Handbook on bioethanol: production and utilization; Taylor & Francis: Washington DC, USA, 1996].
[08] Os métodos de pré-tratamentos físicos têm sido desenvolvidos no intuito de aumentar a área superficial disponível, reduzir a interferência da estrutura cristalina da celulose, multiplicando os interstícios porosos e a eficiência da hidrólise enzimática [Wyman, CE. Handbook on bioethanol: production and utilization; Taylor & Francis: Washington DC, USA, 1996]. Eles se baseiam principalmente na redução do tamanho da partícula de biomassa (acréscimo da área superficial) e aumento do volume de poros, que por fatores cinéticos, somados à destruição da estrutura cristalina e diminuição do grau de polimerização da celulose, facilitam as etapas de sacarificação [Taherzadeh, M. J.; Karimi, K.lnt. J. Mol. Sei. 2008, 9, 1621 ]. [08] Physical pre-treatment methods have been developed. In order to increase the available surface area, reduce the interference of the cellulose crystalline structure, multiplying the porous interstices and the efficiency of enzymatic hydrolysis [Wyman, CE. Handbook on bioethanol: production and utilization; Taylor & Francis: Washington DC, USA, 1996]. They are mainly based on the reduction of biomass particle size (increase of surface area) and increase of pore volume, which by kinetic factors, added to the destruction of the crystalline structure and decrease of the degree of cellulose polymerization, facilitate the saccharification steps. [Taherzadeh, MJ; Karimi, K.lnt. J. Mol. I know. 2008, 9, 1621].
[09] Os métodos físicos realizados por moagem e pulverização, tem a vantagem de não utilizar solventes nem agentes químicos, diminuindo os riscos e necessidades de tratamento de efluentes; mas são limitados pelo grande consumo energético e baixa eficiência na separação da lignina [ Harun, R.; Danquah, M. K.Process Biochem. 201 1 , 46, 304.]. [09] Physical methods performed by grinding and spraying have the advantage of not using solvents or chemical agents, reducing the risks and needs of effluent treatment; but are limited by high energy consumption and low lignin separation efficiency [Harun, R .; Danquah, M.K.Process Biochem. 201 1.46, 304.].
[010] Os métodos de tratamentos físico-químicos mais utilizados atualmente são os pré-tratamentos por explosão a vapor, ultrassonicação, pela utilização de líquidos iónicos (LI) e processos eletromagnéticos, como a irradiação microondas. Estes métodos têm revelado diversas vantagens, por utilizar condições reacionais mais brandas, reagentes menos tóxicos (água) e por recuperar facilmente os açúcares [Zhu, Z.; Zhu, M.; Wu, Z. Bioresource Technol. 2012, 1 19, 199; Duarte, C. L; Ribeiro, M.A.; Oikawa, H.; Mori, M. N.; Napolitano, C. M.; Galvão, C. A. Radiat. Phys.Chem. 2012, 81 ,1008].  [010] The most widely used physicochemical treatment methods today are steam blast pretreatment, ultrasonic sonication, the use of ionic liquids (LI), and electromagnetic processes such as microwave irradiation. These methods have shown several advantages by using milder reaction conditions, less toxic reagents (water) and easily recovering sugars [Zhu, Z .; Zhu, M .; Wu, Z. Bioresource Technol. 2012, 1119, 199; Duarte, C.L; Ribeiro, M.A .; Oikawa, H .; Mori, M.N .; Neapolitan, C. M .; Galvao, C. A. Radiat. Phys.Chem. 2012, 81, 1008].
[011] Dentre os métodos químicos de pré-tratamento da biomassa, é descrito o pré-tratamento alcalino, baseado na solvatação e saponificação da biomassa, ocasionando inchaço, para o aumento da área superficial disponível para a hidrólise enzimática. Estes métodos exigem temperaturas e pressões inferiores aos comumente utilizados nos demais processos de pré- tratamento [Harun, R.; et. al.; Appl. Energy. 201 1 , 88, 3464]. No entanto, pode ocasionar a formação de sais (proveniente dos catalisadores) ligados irreversivelmente a celulose, ocasionando maior estabilidade da estrutura cristalina do polissacarídeo [Mathew, A. K.; et. al.;Bioresource Technol. 201 1 , 102, 6547] e [Hendriks, A.T.W.M.; Zeeman, G.; Bioresour. Technol. 2009, 100, 10]. [011] Among the chemical methods of biomass pretreatment, alkaline pretreatment based on biomass solvation and saponification is described, causing swelling to increase surface area available for enzymatic hydrolysis. These methods require lower temperatures and pressures than those commonly used in other pretreatment processes [Harun, R .; et. al .; Appl. Energy 201 1.88, 3464]. However, it can lead to the formation of salts (originating from catalysts) irreversibly bound to cellulose, causing greater stability of the polysaccharide crystal structure [Mathew, AK; et. al.; Bioresource Technol. 201 1, 102, 6547] and [Hendriks, ATWM; Zeeman, G .; Bioresour. Technol. 2009, 100, 10].
[012] Atualmente têm sido muito utilizados os processos conjugados alcalino-oxidativos, onde a eficiência da decomposição da biomassa lignocelulósica é maximizada. No entanto, devido a fácil solubilização da hemiceluloses, esta pode oxidar-se em produtos de degradação, como os ácidos sacarínicos, que são inibidores enzimáticos [Assunção, F. C. R. Em Química Verde no Brasil: 2010-2030; Carioca, J. O. B.; Almeida, M. F. L; Seidl, P. R. 2010].  [012] Currently the alkaline-oxidative conjugate processes have been widely used, where the decomposition efficiency of lignocellulosic biomass is maximized. However, due to the easy solubilization of hemicelluloses, it can oxidize in degradation products, such as saccharin acids, which are enzyme inhibitors [Assunção, F. C. R. In Green Chemistry in Brazil: 2010-2030; Carioca, J. O. B .; Almeida, M.F. L; Seidl, P. R. 2010].
[013] O pré-tratamento ácido é baseado na utilização principalmente de ácido clorídrico e sulfúrico, em concentrações que variam de 0,4 a 1 % (v/v). O procedimento é baseado no aquecimento do ácido (catalisador) ocasionando a clivagem de grupos acetil da hemiceluloses, que também atuará como agente hidrolítico, facilitando a remoção da hemiceluloses. No entanto, esta técnica é limitada pelo risco de ocasionar a fusão e despolimerização da celulose, seguida de uma repolimerização e redistribuição superficial intensa, dificultando a sacarificação [Canilha, L; et. al.; Revista Analytica. 2010 , 44, 80].  Acid pretreatment is based on the use primarily of hydrochloric and sulfuric acid at concentrations ranging from 0.4 to 1% (v / v). The procedure is based on the heating of the acid (catalyst) causing cleavage of acetyl groups of hemicelluloses, which will also act as a hydrolytic agent, facilitating the removal of hemicelluloses. However, this technique is limited by the risk of cellulose fusion and depolymerization, followed by intense surface repolymerization and redistribution, making saccharification difficult [Canilha, L; et. al .; Analytica Magazine. 2010, 44, 80].
[014] Os métodos de pré-tratamentos biológicos e físico-químicos são os mais favoráveis ambiental e energeticamente. No entanto, a técnica biológica ainda é limitada devido à baixa taxa de conversão de celulose a açúcares pelas enzimas lacases e peroxidases, que demoram até 5 semanas de reação, tornando-a inaplicável industrialmente [Harun, R.; Danquah, M. K.Process Biochem. 201 1 , 46, 304]. [014] Biological and physicochemical pretreatment methods are the most environmentally and energetically favorable. However, the biological technique is still limited due to the low conversion rate of cellulose to sugars by the enzymes laccases and peroxidases, which take up to 5 weeks of reaction, making it inapplicable industrially [Harun, R .; Danquah, MKProcess Biochem. 201 1.46, 304].
[015] Dessa forma, os processos de pré-tratamento de biomassa podem utilizar unicamente vapor saturado e água a elevadas temperaturas (auto-hidrólise), ou ainda recorrer ao emprego de agentes químicos, tais como ácidos orgânicos e minerais, álcalis, bases e sais metálicos, os quais podem atuar como promotores, catalisadores ou aditivos capazes de alterar a estrutura da celulose presente na biomassa pré-tratada ou alterar a velocidade das reações químicas envolvidas no processo.  Thus, biomass pretreatment processes can only use saturated steam and water at high temperatures (self-hydrolysis), or use chemical agents such as organic and mineral acids, alkalis, bases and metal salts, which may act as promoters, catalysts or additives capable of altering the structure of cellulose present in the pretreated biomass or altering the rate of chemical reactions involved in the process.
[016] Geralmente, o processo de pré-tratamento geralmente requer mais de uma etapa operacional, incluindo-se impregnação com aditivo e lavagem intermediária ou final da biomassa pré-tratada, o que pode resultar em menor produtividade temporal (massa produzida/tempo de processo) e maior consumo de água por unidade de biomassa pré- tratada produzida, mesmo nos casos em que se verifica significativa taxa de reutilização e recirculação das correntes líquidas produzidas na etapa de pré-tratamento.  [016] Generally, the pretreatment process generally requires more than one operational step, including additive impregnation and intermediate or final wash of the pretreated biomass, which may result in lower temporal productivity (mass produced / time of process) and higher water consumption per unit of pre-treated biomass produced, even in cases where there is a significant reuse and recirculation rate of the liquid streams produced in the pretreatment stage.
[017] Apesar de ser uma etapa indispensável para nas etapas de sacarificação, aumentando pelo menos 80% o rendimento, o pré- tratamento da biomassa lignocelulósica é responsável por cerca de 35% dos custos totais de produção [Balat, M.; Balat, H.; Õz, C; Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, 551 ]. A destoxificação do meio reacional, assim como dos resíduos sólidos (celulose e lignina) proveniente das etapas de pré-tratamento, ainda é um procedimento antecessor indispensável para a manutenção da eficiência enzimática nas etapas de sacarificação e de fermentação. Afora os altos custos, as operações de destoxificação também podem ocasionar perda parcial dos monossacarídeos obtidos, a geração de efluentes e grande consumo energético [Assunção, F. C. R. Em Química Verde no Brasil: 2010-2030; Carioca, J. O. B.; Almeida, M. F. L; Seidl, P. R. 2010]. [017] Although an indispensable step for saccharification steps, increasing yields by at least 80%, lignocellulosic biomass pretreatment accounts for about 35% of total production costs [Balat, M .; Balat, H .; Oz, C; Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, 551]. Detoxification of the reaction medium as well as solid waste (cellulose and lignin) from the pretreatment steps is still an indispensable predecessor for maintaining enzymatic efficiency in the saccharification and fermentation stages. Apart from the high costs, detoxification operations can also cause partial loss of monosaccharides obtained, effluent generation and high energy consumption [Asunción, FCR In Green Chemistry in Brazil: 2010-2030; Carioca, JOB; Almeida, MF L; Seidl, PR 2010].
[018] O documento US20080008783 descreve um processo para o tratamento de biomassa para processar os hidratos de carbono estruturais mais acessíveis e/ou digestão usando hidróxido de amónio concentrado, com ou sem adição de amoníaco anidro. O processo utiliza de preferência vapor para retirar o amoníaco a partir da biomassa.  US20080008783 describes a process for treating biomass for processing the most accessible structural carbohydrates and / or digestion using concentrated ammonium hydroxide, with or without the addition of anhydrous ammonia. The process preferably uses steam to remove the ammonia from the biomass.
[019] O documento US20070031953 descreve um processo de produção de etanol utilizando biocatalisadores capazes de fermentar açúcares derivados da biomassa tratada, ditos açúcares obtidos pelo pré-tratamento da biomassa sob condições de elevado teor de sólidos e baixa concentração de amónia, seguido de sacarificação.  US20070031953 describes an ethanol production process using biocatalysts capable of fermenting sugars derived from the treated biomass, said sugars obtained by pretreatment of the biomass under conditions of high solids and low ammonia concentration, followed by saccharification.
[020] O documento US20070031918 descreve um pré-tratamento de biomassa com uma baixa concentração de hidróxido de amónio a elevada concentração de biomassa. [020] US20070031918 describes a biomass pretreatment with a low ammonium hydroxide concentration at a high biomass concentration.
[021] O documento US20070031919 descreve produtos químicos alvo produzidos mediante utilização de biocatalisadores que são capazes de fermentar açúcares derivados da biomassa tratadasob condições de elevado teor de sólidos e baixa concentração de amónia, seguido de sacarificação.  [021] US20070031919 describes target chemicals produced using biocatalysts which are capable of fermenting treated biomass sugars under high solids and low ammonia conditions, followed by saccharification.
[022] O documento US5037663 descreve um processo para aumentar a reatividade de materiais que contêm celulose, compreendendo as etapas de dispor a biomassa num recipiente de pressão, com um líquido volátil, que tem uma pressão de vapor superior à pressão atmosférica, em um período de tempo suficiente para o inchamento da celulose do material. A pressão é então reduzida rapidamente até à pressão atmosférica, fazendo assim com que o agente provoque a alteração na estrutura morfológica do material lignocelulósico e parcial desconstrução da matriz celulósica (complexo lignina-carboidrato- LCC), resultando-se em maior acessibilidade da mesma aos agentes hidrolisantes tais como as enzimas celulolíticas. US5037663 describes a process for increasing the reactivity of cellulose-containing materials, comprising the steps of disposing the biomass in a waste container. pressure with a volatile liquid having a vapor pressure greater than atmospheric pressure in a time sufficient to swell the pulp of the material. The pressure is then rapidly reduced to atmospheric pressure, thus causing the agent to change the morphological structure of the lignocellulosic material and partially deconstruct the cellulosic matrix (lignin-carbohydrate-LCC complex), resulting in greater accessibility to the latter. hydrolyzing agents such as cellulolytic enzymes.
[023] O documento US4880473 descreve um processo de produção de açúcares fermentáveis a partir de madeira ou de outras biomassas contendo de celulose, que compreende as etapas de hidrólise da biomassa com ácido sulfúrico diluído, separação da fase sólida que é sujeitada à rápida pirólise a uma temperatura de 400 a 600°C, preferentemente em um reator de leito fluidizado com um tempo de residência curto para se obter um produto de pirólise bruto por condensação de vapores pirolíticos.  US4880473 describes a process for producing fermentable sugars from wood or other cellulose-containing biomass, which comprises the steps of hydrolysis of the biomass with dilute sulfuric acid, solid phase separation which is subjected to rapid pyrolysis. at a temperature of 400 to 600 ° C, preferably in a fluidized bed reactor with a short residence time to obtain a crude pyrolysis product by condensation of pyrolytic vapors.
[024] O documento US20100041 1 19 descreveum método para a conversão de material celulósico em etanol e outros produtos, sendo o material celulósico submetida a pré-tratamento hidrotérmico contínua sem adição de produtos químicos, com a fração de fibra sendo submetida a liquefação e sacarificação enzimática.  [024] US20100041 1 19 describes a method for converting cellulosic material into ethanol and other products, the cellulosic material undergoing continuous hydrothermal pretreatment without addition of chemicals, with the fiber fraction undergoing liquefaction and saccharification. enzymatic
[025] No entanto, de forma distinta, é objeto da presente invenção um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica mediante pelo menos uma etapa de tratamento hidrotérmico em reator e impregnação de aditivo alcalino nitrogenado, como por exemplo, carbamida, sem necessidade de recirculação ou recuperação do aditivo. A carbamida pode ser convertida em carbonato de amónio e este, por sua vez, pode ser convertido em uma mescla de amónia e dióxido de carbono (C02). A amónia tende a promover umadesconstrução seletiva da fração lignocelulósica da biomassa com mínima degradação de celulose e de açúcares, enquanto o dióxido de carbono atua como catalisador na desconstrução do complexo lignina-carboidrato (LCC) da biomassa, com maior seletividade na conversão de hemiceluloses. Deste modo, a carbamida atua como um catalisador-promotor bi-funcional na conversão da biomassa, tornando-a mais acessível aos agentes químicos e enzimáticos que atuarão sobre a matriz celulósica. Tal atuação resulta em reduzida degradação dos açúcares produzidos, bem como em mínima produção de compostos inibidores (e.g. furfural, hidróxi-metil-furfural e ácidos orgânicos/húmicos) das etapas subsequentes de hidrólise enzimática e fermentação. However, differently, a lignocellulosic biomass pretreatment process by at least one reactor hydrothermal treatment step and impregnation of nitrogenous alkaline additive, such as carbamide, without the need for recirculation or recovery of the additive. Carbamide can be converted to ammonium carbonate and This, in turn, can be converted into a mixture of ammonia and carbon dioxide (C0 2). Ammonia tends to promote selective deconstruction of the lignocellulosic fraction of biomass with minimal degradation of cellulose and sugars, while carbon dioxide acts as a catalyst in the deconstruction of biomass lignin-carbohydrate complex (LCC), with greater selectivity in hemicellulose conversion. Thus, carbamide acts as a bifunctional catalyst-promoter in the conversion of biomass, making it more accessible to chemical and enzymatic agents that will act on the cellulosic matrix. Such action results in reduced degradation of the produced sugars, as well as minimal production of inhibitor compounds (eg furfural, hydroxymethyl-furfural and organic / humic acids) from subsequent enzymatic hydrolysis and fermentation steps.
[026] Além disso, utilização de carbamida permite produzir amónia "dentro do próprio reator", o que elimina a necessidade de introduzir amónia ou hidróxido de amónio mediante sistemas de alimentação (pressurizados ou não), bombeamento, carga e transporte. Finalmente, porém não menos relevante, tal técnica evita a necessidade de se utilizar elevado excesso de amónia/hidróxido de amónio em relação aos valores estequiométricos, representando menores custos operacionais e menores riscos operacionais associados à segurança do processo e higiene industrial. In addition, the use of carbamide makes it possible to produce ammonia "within the reactor itself", which eliminates the need to introduce ammonia or ammonium hydroxide through feed systems (pressurized or not), pumping, loading and transport. Last but not least, such a technique avoids the need to use high excess ammonia / ammonium hydroxide over stoichiometric values, representing lower operating costs and lower operational risks associated with process safety and industrial hygiene.
SUMÁRIO SUMMARY
[027] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que provê uma biomassa com elevada reatividade de fibra (acessibilidade) aos agentes hidrolíticos químicos e enzimático, particularmente às enzimas, favorecendo a digestibilidade enzimática, obtendo-se adequada recuperação de açúcares provenientes das frações hemicelulósicas (preferencialmente pentoses) e celulósicas (preferencialmente hexoses). [027] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts that provides a high fiber reactivity (accessibility) biomass to chemical and enzymatic hydrolytic agents, particularly enzymes, favoring enzymatic digestibility, obtaining adequate recovery of sugars from hemicellulosic (preferably pentoses) and cellulosic (preferably hexoses) fractions.
[028] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que emprega um aditivo nitrogenado, particularmente carbamida, e tratamento hidrotérmico com teores variados de água no estado líquido, possibilitando a máxima recuperação de açúcares a partir das hemiceluloses e da celulose, com mínima degradação dos açúcares disponibilizados.  [028] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other by-products employing a nitrogenous additive, particularly carbamide, and hydrothermal treatment with varying liquid water contents, enabling maximum recovery of sugars. from hemicelluloses and cellulose, with minimal degradation of available sugars.
[029] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos em que é alcançada a temperatura de 140 a 240SC no reator, sendo rapidamente despressurizado, provocando uma alteração estrutural da biomassa, tornando-a mais acessível a agentes hidrolíticos, tais como enzimas e produtos químicos capazes de fracionar a celulose e as hemiceluloses em açúcares menores. [029] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts in which the temperature of 140 to 240 S C is reached in the reactor and is rapidly depressurised, causing a structural change in biomass, making It is most accessible to hydrolytic agents such as enzymes and chemicals capable of fractionating cellulose and hemicelluloses into smaller sugars.
[030] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que podem ser convertidos em biocombustíveis e químicos, tais como etanol, butanol e uma miríade de produtos de interesse industrial, mediante rotas químicas e bioquímicas. [030] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other by-products that can be converted into biofuels and chemicals such as ethanol, butanol and a myriad of industrially interesting products by chemical and biochemical routes. .
[031] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que provê a remoção seletiva de hemiceluloses e lignina, com mínima degradação da celulose. [031] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts that provides for selective removal of hemicelluloses and lignin with minimal cellulose degradation.
[032] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que não requer a utilização de condições severas de processo, tais como temperatura, tempo de processo e utilização de compostos químicos agressivos, tais como ácidos orgânicos e inorgânicos. [032] The invention describes a process of pretreatment of Lignocellulosic biomass for the production of carbohydrates and other byproducts that do not require the use of severe process conditions such as temperature, process time and use of aggressive chemical compounds such as organic and inorganic acids.
[033] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que provê reduzida degradação sacarídica.  [033] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts that provides reduced saccharide degradation.
[034] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que provê maior recuperação de açúcares. [034] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts that provides enhanced sugar recovery.
[035] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos com reduzida formação de produtos oriundos de degradação de açúcares (tal como furfural, HMF, ácidos orgânicos), os quais tendem a ser inibidores da ação das enzimas e dos microrganismos fermentativos. [035] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts with reduced formation of sugar degradation products (such as furfural, HMF, organic acids) which tend to be inhibitors of action of enzymes and fermentative microorganisms.
[036] A invenção descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos que provê elevado rendimento do processo de fermentação etanólica.  [036] The invention describes a lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts that provides high throughput of the ethanolic fermentation process.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[037] A figura 1 apresenta a representação gráfica do rendimento sacarídico (kg ART/ton. biomassa seca) produzido a partir de resíduos de biomassa de eucalipto (raiz, caule e cavacos diversos).  [037] Figure 1 presents the graphical representation of saccharide yield (kg ART / ton. Dry biomass) produced from eucalyptus biomass residues (root, stem and miscellaneous chips).
[038] A figura 2 apresenta a representação gráfica do rendimento etanólico (L etanol/ton. biomassa seca) produzido a partir de resíduos de biomassa de eucalipto (raiz, caule e cavacos diversos). [039] A figura 3 apresenta o cromatograma típico de um hidrolisado (solução de carboidratos) produzido a partir da hidrólise enzimática da biomassa (eucalipto) pré-tratada. [038] Figure 2 presents the graphical representation of the ethanol yield (L ethanol / ton. Dry biomass) produced from eucalyptus biomass residues (root, stem and miscellaneous chips). [039] Figure 3 shows the typical chromatogram of a hydrolyzate (carbohydrate solution) produced from enzymatic hydrolysis of pretreated biomass (eucalyptus).
[040] A figura 4 apresenta o cromatograma típico do vinho (solução etanólica) produzido a partir da fermentação dos carboidratos produzidos através da hidrólise enzimática da biomassa (eucalipto) pré-tratada.  [040] Figure 4 shows the typical wine chromatogram (ethanolic solution) produced from the fermentation of carbohydrates produced by enzymatic hydrolysis of pretreated biomass (eucalyptus).
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO  DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[041] O processo de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica para produção de carboidratos e outros subprodutos, objeto da presente invenção, compreende, uma etapa inicial de preparo da biomassa lignocelulósica que é submetida a fragmentação a fim de ser obtida dimensões adequadas (largura, altura e comprimento) e classificação granulométrica para assegurar a homogeneidade dimensional da biomassa a ser processada.  The lignocellulosic biomass pretreatment process for the production of carbohydrates and other byproducts, object of the present invention, comprises an initial stage of preparation of lignocellulosic biomass which is subjected to fragmentation to obtain appropriate dimensions (width, width, thickness). height and length) and particle size classification to ensure the dimensional homogeneity of the biomass to be processed.
[042] Opcionalmente, a biomassa lignocelulósica é submetida à lavagem, com vistas a remover substâncias estranhas, contaminantes e outros componentes que possam afetar a eficiência do processo, bem como prover um teor de umidade da biomassa adequado para subsequente processamento da mesma.  [042] Optionally, the lignocellulosic biomass is subjected to washing to remove foreign substances, contaminants and other components that may affect process efficiency, as well as to provide an adequate biomass moisture content for subsequent processing.
[043] Em uma primeira etapa reacional, a biomassa lignocelulósica fragmentada é carregada em um reatorcontínuo ou descontínuopara tratamento hidrotérmico, sendo preferentemente mantido um espaço vazio do equipamento {"head-space') na faixa de 0-40%, preferencialmente 20%, conforme a biomassa lignocelulósica a ser processada.  [043] In a first reaction step, the fragmented lignocellulosic biomass is loaded into a continuous or batch reactor for hydrothermal treatment, preferably maintaining a head-space in the range of 0-40%, preferably 20%, according to the lignocellulosic biomass to be processed.
[044] A carga de biomassa depositada no reator recebe a injeção de água, vapor saturado ou misturas vapor-água em equilíbrio termodinâmico, entre 1 a 20 minutos, preferencialmente 8 minutos, com vistas a promover a remoção de ar atmosférico armazenado no interior da biomassa, obtendo-se adequada homogeneização de temperatura e umidade. [044] The biomass charge deposited in the reactor is injected with water, saturated steam or equilibrium vapor-water mixtures. thermodynamic, from 1 to 20 minutes, preferably 8 minutes, in order to promote the removal of atmospheric air stored inside the biomass, obtaining adequate homogenization of temperature and humidity.
[045] O aquecimento da biomassa dentro do reator é feito mediante contato direto com o vapor de processo (vapor saturado a 18-26 kgf/cm2, preferencialmente a 20 kgf/cm2). Uma vez atingida a temperatura entre 160 a 210SC, a injeção de vapor é interrompida e a biomassa permanece sob tratamento ^cooking") entre 30 segundos a 1800 segundos. [045] Biomass heating within the reactor is by direct contact with process steam (saturated steam at 18-26 kgf / cm 2 , preferably at 20 kgf / cm 2 ). Once the temperature reached 160 to 210 S C, the steam injection is stopped and the biomass remains under treatment cooking ^ ") from 30 seconds to 1800 seconds.
[046] Dependendo da biomassa lignocelulósica a ser processada, caracterizada essencialmente pela massa específicae pela morfologia das fibras, a primeira etapa reacional é executada em pelo menos um ciclo. Por exemplo, as fibras de eucalipto têm seu comprimento variando de 0,75 a 1 ,30 milímetros, mostrando uma média próxima de 1 mm, sendo consideradas fibras curtas, quando comparadas com as fibras de coníferas, denominadas de fibras longas, que apresentam comprimento três a cinco vezes superior. Deste modo, biomassas constituídas por fibras longas tendem a demandar condições operacionais ótimas distintas àquelas utilizadas com biomassas constituídas por fibras curtas.  Depending on the lignocellulosic biomass to be processed, characterized essentially by specific mass and fiber morphology, the first reaction step is performed in at least one cycle. For example, eucalyptus fibers have a length ranging from 0.75 to 1.30 millimeters, showing an average close to 1 mm, being considered short fibers when compared to conifer fibers, called long fibers, which have a length three to five times higher. Thus, long fiber biomasses tend to demand optimum operating conditions distinct from those used with short fiber biomasses.
[047] Opcionalmente, na primeira etapa reacional, a biomassa lignocelulósica é impregnada com catalisadores, selecionados dentre ácidos minerais, sais metálicos, ácidos orgânicos, bases orgânicas e inorgânicas (álcalis), ditos catalisadores adicionados em pelo menos uma etapa, a fim de melhorar a eficiência do processo e/ou promover alterações estruturais na matriz lignocelulósica da biomassa que resultem em maior reatividade de fibra, acessibilidade e digestibilidade enzimática. Optionally, in the first reaction step, lignocellulosic biomass is impregnated with catalysts, selected from mineral acids, metal salts, organic acids, organic and inorganic bases (alkalis), said catalysts added in at least one step in order to improve process efficiency and / or promote structural changes in the biomass lignocellulosic matrix resulting in higher fiber reactivity, accessibility and digestibility enzymatic
[048] Decorrido o tempo reacional, o reator sofre uma rápida despressurização que, para fins da presente invenção, implica no retorno da pressão de trabalho para pressão ambiente ou próxima a pressão ambiente em um intervalo não superior a 5 segundos, a fim de provocar uma alteração estrutural da biomassa, tornando-a mais acessível a agentes hidrolíticos, tais como enzimas e produtos químicos capazes de fracionar a celulose e as hemiceluloses em açúcares menores.  [048] After the reaction time has elapsed, the reactor undergoes rapid depressurization which, for the purposes of the present invention, implies a return of working pressure to or near ambient pressure within 5 seconds to cause a structural change in biomass, making it more accessible to hydrolytic agents such as enzymes and chemicals capable of fractionating cellulose and hemicelluloses into smaller sugars.
[049] A biomassa depositada no reator é descarregada para um tanque de expansão {"blow-tanK'), um ciclone atmosférico ou um tanque de armazenamento, sendo submetida a uma operação de separação sólido-líquido, tal como filtração ou centrifugação.  [049] The biomass deposited in the reactor is discharged into a blow-tanK, atmospheric cyclone or storage tank and subjected to a solid-liquid separation operation such as filtration or centrifugation.
[050] O líquido produzido (pré-hidrolisado), geralmente rico em açúcares provenientes das hemiceluloses da biomassa, pode ser utilizado nas etapas subsequentes de processamento, ou ser posteriormente reciclado e reincorporado ao processo produtivo. [050] The liquid produced (prehydrolyzed), usually rich in sugars from biomass hemicelluloses, can be used in subsequent processing steps, or later recycled and reincorporated into the production process.
[051] A f ração sólida, ou seja, a biomassa pré-tratada úmida, é impregnada com um composto nitrogenado com vistas a promover importantes alterações estruturais na matriz lignocelulósica da biomassa, as quais possibilitam maior acessibilidade da celulose aos agentes hidrolíticos utilizados nas etapas subsequentes. [051] Solid fraction, ie wet pretreated biomass, is impregnated with a nitrogenous compound to promote important structural changes in the lignocellulosic matrix of biomass, which enable greater accessibility of cellulose to hydrolytic agents used in the stages. subsequent
[052] O composto nitrogenado é selecionado dentre carbamida, amónia, hidróxido de amónio, carbonato de amónio ou aminas. [052] The nitrogenous compound is selected from carbamide, ammonia, ammonium hydroxide, ammonium carbonate or amines.
[053] Em seguida, a biomassa é submetida a uma operação de extração líquido-sólido, tal como lavagem com água ou soluções ácidas ou alcalinas diluídas, seguida da separação sólido-líquido, tal como filtração ou centrifugação, com vistas a remover o líquido produzido (pré-hidrolisado), geralmente rico em açúcares provenientes das hemiceluloses da biomassa, os qual pode ser utilizado nas etapas subsequentes de processamento, ou ser posteriormente reciclado e reincorporado ao processo produtivo. [053] The biomass is then subjected to a liquid-solid extraction operation such as washing with water or dilute acid or alkaline solutions followed by solid-liquid separation such as filtration or centrifugation to remove the liquid. produced (prehydrolyzed), usually rich in sugars from the biomass hemicelluloses, which can be used in subsequent processing steps, or later recycled and reincorporated into the production process.
[054] A fração sólida úmida segue para uma etapa de sacarificação enzimática (hidrólise enzimática) ou química. [054] The wet solid fraction proceeds to an enzymatic (enzymatic hydrolysis) or chemical saccharification step.
[055] A biomassa impregnada com o composto nitrogenado pode ser submetida a uma segunda etapa reacional que inclui tratamento hidrotérmico com vapor em reator, a temperatura entre 180 a 220SC, entre 30 segundos a 1200 segundos, sendo em seguida submetida a uma operação de extração líquido-sólido, tal como lavagem com água ou soluções ácidas ou alcalinas diluídas, seguida da separação sólido-líquido, tal como filtração ou centrifugação, com vistas a remover o líquido produzido (pré-hidrolisado), e a fração sólida úmida segue para uma etapa de sacarificação enzimática (hidrólise enzimática) ou química. [055] The biomass impregnated with the nitrogenous compound may be subjected to a second reaction step including reactor vapor hydrothermal treatment at a temperature of 180 to 220 S C, 30 seconds to 1200 seconds and then subjected to an operation. solid-liquid extraction, such as washing with water or dilute acid or alkaline solutions, followed by solid-liquid separation, such as filtration or centrifugation, to remove the produced (prehydrolyzed) liquid, and the wet solid fraction follows for an enzymatic saccharification (enzymatic hydrolysis) or chemical step.
[056] Exemplo 1. Produção de carboidratos a partir de resíduos de eucalipto  [056] Example 1. Carbohydrate production from eucalyptus waste
[057] Utilizada biomassa com 40-45% de umidade após pré-lavagem com água à temperatura ambiente. Foram realizados pré-tratamentos com vapor (STEX) em duas etapas, sendo a primeira conduzida a 200-205sC (pressão interna de 17-18 kgf/cm2) durante 8-12 minutos, mediante injeção de vapor saturado a 20 kgf/cm2. Após o tempo reacional, o reator foi subitamente descarregado, de modo a conduzir a biomassa para um tanque de coleta e expansão {"blow collecting tanK'). A biomassa foi coletada e filtrada utilizando malha de tecido. A fração líquida foi separada enquanto a fração sólida (biomassa pré- tratada úmida) foi impregnada com carbamida (particularmente uréia) dosada a 0,02 - 0,05g/g biomassa durante 2 horas. Em seguida, a biomassa pré-tratada impregnada com carbamida foi carregada no reator de pré-tratamento com vapor, sendo processada a 200-205sC (pressão interna de 17-18 kgf/cm2) durante 8-12 minutos, mediante injeção de vapor saturado a 20 kgf/cm2. Após o tempo reacional, o reator foi subitamente descarregado, de modo a conduzir a biomassa para um tanque de coleta e expansão {"blow collecting tanK'). A biomassa foi coletada e filtrada utilizando malha de tecido. A fração líquida foi separada da fração sólida (biomassa pré-tratada úmida) utilizando filtração a vácuo. A biomassa pré-tratada foi submetida a uma hidrólise enzimática conduzida em reatores descontínuos com agitação mecânica, sob regime de batelada simples e alimentada, pH 4,8-5,2, temperatura 48 a 52SC, teor de sólidos 8 a 20% durante 48 a 72h, utilizando formulação comercial (Cellic Ctec3, Novozymes). Após o tempo reacional, o reator foi descarregado, a biomassa foi coletada e filtrada utilizando malha de tecido. A fração líquida (hidrolisado enzimático) foi separada da fração sólida (celulignina), quantificada e analisada quanto ao teor de açúcares. [057] Used 40-45% moisture biomass after prewashing with water at room temperature. Steam pre-treatments (STEX) were carried out in two steps, the first being conducted at 200-205 s C (internal pressure 17-18 kgf / cm 2 ) for 8-12 minutes by injection of saturated steam at 20 kgf / cm 2 . After the reaction time, the reactor was suddenly discharged to carry the biomass into a blow collecting tanK. The biomass was collected and filtered using a mesh of tissue. solid fraction (wet pretreated biomass) was impregnated with carbamide (particularly urea) dosed at 0.02 - 0.05g / g biomass for 2 hours. Then the carbamide-impregnated pretreated biomass was loaded into the steam pretreatment reactor and processed at 200-205 s C (internal pressure 17-18 kgf / cm 2 ) for 8-12 minutes by injection of saturated steam at 20 kgf / cm 2 . After the reaction time, the reactor was suddenly discharged to carry the biomass into a blow collecting tanK. The biomass was collected and filtered using a mesh fabric. The liquid fraction was separated from the fraction. solid (wet pretreated biomass) using vacuum filtration The pretreated biomass was subjected to enzymatic hydrolysis conducted in mechanically agitated batch reactors under single batch fed pH 4.8-5.2, temperature 48 to 52 O C, solid content 8 to 20% for 48 to 72 hours, using the commercial formulation (Cellic Ctec3, Novozymes). After the reaction time, the reactor was discharged, the biomass was collected and filtered using mesh fabric. the The liquid fraction (enzymatic hydrolyzate) was separated from the solid fraction (cellulignin), quantified and analyzed for sugar content.
[058] Conforme apresenta a Tabela 1 , foi obtida uma solução sacarídica com uma concentração de açúcares de aproximadamente 60 g/L (medida em graus Brix), correspondente a um rendimento produtivo superior a 320 kg açúcares/tonelada de biomassa seca.  [058] As shown in Table 1, a saccharide solution with a sugar concentration of approximately 60 g / L (measured in Brix degrees) was obtained, corresponding to a yield of over 320 kg sugars / tonne of dry biomass.
[059] Tabela 1 : Produção de açúcares a partir de resíduos de eucalipto.  [059] Table 1: Production of sugars from eucalyptus residues.
Fração Líquida Fração sólida  Liquid Fraction Solid Fraction
PH Concentração Extração  PH Concentration Extraction
(g/L) (%)  (g / l) (%)
Pré-tratamento Etapa 1 3,5 - 19,4 Etapa 2 8,8 - 5,0 Pretreatment Step 1 3.5 - 19.4 Step 2 8.8 - 5.0
Hidrólise Enzimática 4,9 60,0 12,8  Enzymatic Hydrolysis 4.9 60.0 12.8
[060] A figura 1 apresenta os resultados referentes aos rendimentos sacarídicos (expressos em kg ART /ton. biomassa seca) obtidos em 10 corridas operacionais de produção de etanol a partir de resíduos de eucalipto constituídos por raiz, caule e cavacos diversos.  [060] Figure 1 presents the results for saccharide yields (expressed in kg ART / ton. Dry biomass) obtained in 10 operational ethanol production runs from eucalyptus residues consisting of root, stem and various chips.
[061] Exemplo 2. Produção de etanol celulósico a partir de resíduos de eucalipto  [061] Example 2. Production of cellulosic ethanol from eucalyptus residues
[062] Utilizada biomassa com 40-45% de umidade após pré-lavagem com água à temperatura ambiente. Foram realizados pré-tratamentos com vapor (STEX) em duas etapas, sendo a primeira conduzida a 200-205sC (pressão interna de 17-18 kgf/cm2) durante 8-12 minutos, mediante injeção de vapor saturado a 20 kgf/cm2. Após o tempo reacional, o reator foi subitamente descarregado, de modo a conduzir a biomassa para um tanque de coleta e expansão {"blow collecting tanK'). A biomassa foi então coletada e filtrada, utilizando malha de tecido. A fração líquida foi separada, enquanto a fração sólida (biomassa pré-tratada úmida) foi impregnada com carbamida (particularmente uréia) dosada a 0,02-0,05g/g. de biomassa durante 2 horas. Em seguida, a biomassa pré-tratada impregnada com carbamida foi carregada no reator de pré-tratamento com vapor, sendo processada a 200-205sC (pressão interna de 17-18 kgf/cm2) durante 8 a 12 minutos, mediante injeção de vapor saturado a 20 kgf/cm2. Após o tempo reacional, o reator foi subitamente descarregado, de modo a conduzir a biomassa para um tanque de coleta e expansão ("blow collecting tank"). A biomassa foi coletada e filtrada utilizando malha de tecido. A fração líquida foi separada da fração sólida (biomassa pré-tratada úmida) utilizando filtração a vácuo. A biomassa pré-tratada foi submetida a uma hidrólise enzimática conduzida em reatores descontínuos com agitação mecânica, sob regimes de batelada simples e alimentada, pH 4,8-5,2, temperatura 48-52sC, teor de sólidos 8-20% durante 48 a 72horas, utilizando formulação comercial (Cellic Ctec3, Novozymes). Após o tempo reacional, o reator foi descarregado. A biomassa integral {"whole slurr ), constituída das frações de sólido e líquido, foi submetida a um processo de fermentação etanólica, sendo utilizadas leveduras {Saccharomices cerevisaé) comerciais Mauri Y-904, batelada alimentada, carga de fermento de 0,01 g/g total, temperatura 32-36sC, pH 4,6-5,4, durante 24-48h. O processo foi dado como concluído após evidência de inatividade microbiana. A fração líquida (vinho) foi separada da fração sólida (celulignina mista), quantificada e analisada quanto ao teor de etanol. Conforme apresenta a Tabela 2, foi obtida uma solução hidro-etanólica com uma concentração de etanol de aproximadamente 3,2%p.p (medida em SGL), correspondente a um rendimento produtivo superior a 213 litros de etanol/tonelada de biomassa seca. [062] Biomass with 40-45% humidity is used after prewashing with water at room temperature. Steam pre-treatments (STEX) were carried out in two steps, the first being conducted at 200-205 s C (internal pressure 17-18 kgf / cm 2 ) for 8-12 minutes by injection of saturated steam at 20 kgf / cm 2 . After the reaction time, the reactor was suddenly discharged to conduct the biomass into a blow collecting tanK. The biomass was then collected and filtered using a mesh of tissue. The liquid fraction was separated. while the solid fraction (wet pretreated biomass) was impregnated with carbamide (particularly urea) dosed at 0.02-0.05g / g biomass for 2 hours and then the carbamide impregnated pretreated biomass was steam pretreatment reactor and processed at 200-205 s C (internal pressure 17-18 kgf / cm 2 ) for 8 to 12 minutes by injection of saturated steam at 20 kgf / cm 2 . reaction time, the reactor was suddenly discharged to carry the biomass into a blow collecting tank. The biomass was collected and filtered using a mesh fabric. The liquid fraction was separated from the solid fraction ( pre-treated biomass) using from filtration to vacuum. The pretreated biomass was subjected to enzymatic hydrolysis conducted in mechanically agitated batch reactors under single and fed batch regimes, pH 4.8-5.2, temperature 48-52 s C, solids content 8-20%. for 48 to 72 hours using commercial formulation (Cellic Ctec3, Novozymes). After the reaction time, the reactor was discharged. Whole slurr, composed of solid and liquid fractions, was subjected to an ethanolic fermentation process using commercial yeast (Saccharomices cerevisaé) Mauri Y-904, batch fed, yeast load 0.01 g / g total, temperature 32-36 s C, pH 4.6-5.4 for 24-48 h The process was concluded after evidence of microbial inactivity The liquid (wine) fraction was separated from the solid (cellulignin) fraction. and ethanol content) As shown in Table 2, a hydroethanolic solution with an ethanol concentration of approximately 3.2% wt (measured in S GL), corresponding to a higher yield yield, was obtained. 213 liters of ethanol / tonne of dry biomass.
[063] Tabela 2: Produção de etanol a partir de resíduos de eucalipto.  [063] Table 2: Ethanol production from eucalyptus residues.
Produção de Açúcares Produção de  Sugar Production Production of
Etanol Ethanol
Pré-tratamento Hidrólise FermentaçãoPretreatment Hydrolysis Fermentation
Etapa 1 Etapa 2 Enzimática Step 1 Step 2 Enzyme
pH líquido/meio 4,1 9,0 5,3 4,8  Liquid / medium pH 4.1 9.0 5.3 4.8
Extração 6,3 10,8 13,7 - Extraction 6.3 10.8 13.7 -
Concentração 62,0 Concentration 62.0
(g/L)  (g / l)
(% p.p.) - - — 3,20  (% pp) - - - 3.20
Rendimento - - 425,0 - (kg/ton BS) Yield - - 425.0 - (kg / ton BS)
(L/ton BS) - - - 2,13  (L / ton BS) - - - 2.13
[064] A figura 2 apresenta os resultados concernentes aos rendimentos etanólicos (expressos em litros etanol/tonelada biomassa seca) obtidos em 10 corridas operacionais de produção de etanol a partir de resíduos de eucalipto constituídos por raiz, caule e cavacos diversos.  [064] Figure 2 presents the results concerning the ethanolic yields (expressed in liters ethanol / tonne dry biomass) obtained in 10 operational runs of ethanol production from eucalyptus residues consisting of root, stem and various chips.

Claims

REIVINDICAÇÕES: CLAIMS:
1. PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUÇÃO DE CARBOIDRATOS E OUTROS SUBPRODUTOS caracterizado por compreender as etapas de:  1. LIGNOCELLULOSTIC BIOMASS PRE-TREATMENT PROCESS FOR CARBOHYDRATE PRODUCTION AND OTHER BY-PRODUCTS characterized by comprising the steps of:
a) fragmentação da biomassa lignocelulósica;  a) fragmentation of lignocellulosic biomass;
b) primeira etapa reacional incluindo o tratamento hidrotérmico da biomassa lignocelulósica à temperatura entre 160 a 210SC, quando a injeção de vapor é interrompida, com a biomassa permanecendo sob tratamento entre 30 segundos a 1800 segundos; (b) first reaction step including hydrothermal treatment of lignocellulosic biomass at a temperature between 160 to 210 S C when steam injection is interrupted, with the biomass remaining under treatment for 30 seconds to 1800 seconds;
c) despressurização do reator para pressão ambiente ou próxima a pressão ambiente em um intervalo não superior a 5 segundos;  c) reactor depressurization to or near ambient pressure within no more than 5 seconds;
d) separação sólido-líquidoda biomassa;  d) solid-liquid separation of biomass;
e) impregnação da fração sólidacom um composto nitrogenadoselecionado dentre carbamida, amónia, hidróxido de amónio, carbonato de amónio ou aminas;  e) impregnating the solid fraction with a nitrogenous compound selected from carbamide, ammonia, ammonium hydroxide, ammonium carbonate or amines;
f) extração líquido-sólido da biomassa;  f) liquid-solid extraction of biomass;
g) hidrólise enzimática ou química da fração sólida úmida;  g) enzymatic or chemical hydrolysis of the wet solid fraction;
2. PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUÇÃO DE CARBOIDRATOS E OUTROS SUBPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato da primeira etapa reacional ser executada em pelo menos um ciclo.  Pretreatment process of lignocellulosic biome for the production of carbohydrates and other byproducts according to claim 1, characterized in that the first reaction step is carried out in at least one cycle.
3. PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUÇÃO DE CARBOIDRATOS E OUTROS SUBPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato da primeira etapa reacional incluir a adição de catalisadoresselecionados dentre ácidos minerais, sais metálicos, ácidos orgânicos, bases orgânicas e inorgânicas (álcalis). Pretreatment process of lignocellulosic biome for the production of carbohydrates and other byproducts according to claim 1; characterized in that the first reaction step includes the addition of selected catalysts from mineral acids, metal salts, organic acids, organic and inorganic bases (alkalis).
4. PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUÇÃO DE CARBOIDRATOS E OUTROS SUBPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fatoda biomassa impregnada com o composto nitrogenado ser submetida a uma segunda etapa reacional que inclui tratamento hidrotérmico com vapor em reator à temperatura entre 180 a 220SC, entre 30 segundos a 1200 segundos, sendo em seguida submetida a uma operação de extração líquido- sólido, seguida da separação sólido-líquido, e a fração sólida úmida sendo hidrolisada enzimática ou quimicamente. Pretreatment process of lignocellulosic biome for the production of carbohydrates and other byproducts according to claim 1, characterized in that the biomass impregnated with the nitrogenous compound is subjected to a second reaction step that includes hydrothermal steam treatment in reactor. 180 to 220 S C, 30 seconds to 1200 seconds, then undergoing a liquid-solid extraction operation, followed by solid-liquid separation, and the wet solid fraction being enzymatically or chemically hydrolyzed.
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