WO2021155452A1 - Processo otimizado para produção de açúcares de segunda geração e produtos de fermentação - Google Patents

Processo otimizado para produção de açúcares de segunda geração e produtos de fermentação Download PDF

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WO2021155452A1
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ethanol
broth
energy
enzymatic hydrolysis
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Adriano Do Couto Fraga
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention deals with an optimized process for the production of ethanol from energy cane, through the integration of first generation technologies (1G) with second generation (2G), which presents the advantages of reduced consumption energy and water. More specifically, the secondary juice coming from the second milling process of the conventional process (1G) is used for dilution, in the enzymatic hydrolysis step, in the cellulosic ethanol production process (2G). This fact reduces energy consumption as the juice secondary is directed to dilution in the enzymatic hydrolysis step of the second generation (2G) process, and no longer to the evaporators. At the same time, the use of secondary broth for dilution allows for a reduction in water consumption and the concentration of sugars for the second generation (2G) fermentation process.
  • cellulosic ethanol is seen as an important alternative to help decarbonize the energy matrix of transport. This is due to its characteristic of being produced from lignocellulosic waste, which allows for a low carbon footprint for this fuel.
  • Table I abete-4 presents a comparative chart between some of the characteristics of sugarcane and energy cane.
  • Table 1 Typical characteristics of sugarcane and energy cane. Source: KIM; DAY, 2010.
  • the extraction of sugarcane juice is performed by pressing the material by the milling rollers. In general a set of 4 to 6 milling suits is used in this operation. In the case of sugarcane juice extraction, 60% to 70% of the sugars are recovered during the first extraction (pressing in the first process) and this juice is called primary juice. [008] The remaining sugars are extracted in the following terms and normally with the injection of water in countercurrent, this broth being called secondary broth. The mixture of primary juice and secondary juice composes the mixed juice, which is sent to the evaporators for concentration of sugars and then for fermentation. [009] The process of producing cellulosic ethanol (2G), from energy cane, is composed of three main sequential steps: pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation.
  • the main objective is to increase the fiber exposure to enzymatic action in the subsequent step, for this the most common strategies are steam explosion, by the action of water and heat, and acid hydrolysis.
  • enzymatic hydrolysis polymeric fractions of sugars are converted into monomeric sugars, most notably glucose and xylose.
  • these sugars are converted to ethanol.
  • the operating conditions need to be adjusted to enable better yields.
  • An example is the need to adjust the water:biomass ratio after the pre-treatment step.
  • the main pre-treatment technologies provide a pre-treated material with moisture in the order of 50-70%, however, for the enzymatic hydrolysis step much higher water contents are needed to allow the agitation of the reaction medium, reducing the diffusional restriction effect and providing more adequate action of the added enzymes.
  • typical values of the water:biomass ratio are in the order of 5 to 10:1 . That is, there is a need to add water to the medium.
  • the addition of water in the enzymatic hydrolysis step should be as small as possible, as a more diluted hydrolyzate generates lower concentrations of ethanol in the fermentation step, causing greater energy consumption in the distillation.
  • a greater amount of water promotes the dilution of the sugars generated, on the other hand, the greater dilution reduces diffusional restrictions, allowing a more effective action of the enzymatic cocktail.
  • the determination of the optimum water content in enzymatic hydrolysis is a function of the biomass and the enzymatic cocktail employed.
  • the processing of energy cane has some disadvantages.
  • the first one involves the pressing phase, in first generation units (1 G), in which the juice extraction is impacted by the high fiber content of the material, resulting in the need for greater water injection to obtain the secondary juice.
  • the mixed broth obtained by mixing the primary and secondary broths is more diluted and this greater dilution of the broth leads to greater energy consumption in the evaporators.
  • the use of energy cane in second generation (2G) units requires the addition of water to the medium, to adjust the water:biomass ratio in the enzymatic hydrolysis step, in order to reduce the diffusional restriction effect and improve the performance of the added enzymes.
  • document BR1120150155960 proposes a process to produce fermentable sugars from whole biomass, in particular fermentable sugars from sugarcane, whole energy cane and whole corn.
  • the biomass is introduced to a digester, in the presence of an acid catalyst and a solvent for the lignin.
  • the steps of hydrolysis and fermentation follow. It so happens that, in this document, no form of integration between the first and second generation stages was proposed, which ends up not solving the technical problems related to the need to correct the medium and reduce the energy consumption of the evaporators.
  • document BR112012031615 proposes the production of biofuels in which the raw material, including energy sugarcane, is subjected to a crushing unit .
  • the first and second generation units in which the fuel is generated.
  • the aforementioned document deals with the integrated production of butanol and biodiesel and does not mention any relevant solution for the production of ethanol. More specifically, no integration between the hexose extraction unit and the enzymatic conversion unit.
  • the present invention proposes the integration of first (1G) and second generation (2G) ethanol production units.
  • the integration between the first and second generation units allows the reduction of investment and operation costs through the sharing of equipment and reduction of their energy consumption, solving the technical problems identified.
  • the process described in the present invention points to an efficient method of processing energy cane, which includes the use of secondary juice, generated in the extraction step of the first generation unit (1 G), for dilution in the step of enzymatic hydrolysis of the second generation unit (2G), replacing the addition of water. It is, therefore, a form of integration between the production units, which provides a visible improvement in the process, resulting in reduced investments in equipment and operating costs.
  • the present invention provides a better energy use through the integration of currents between the first and second generation ethanol production units operating with energy cane.
  • energy cane processing problems are summarized in two intrinsic characteristics of the first and second generation processes. They are: a. The lower concentration of sugars in the secondary juice for the extraction of energy cane, in first generation units, which causes an increase in energy consumption for evaporation and; B. The need to add water to adjust the consistency of the medium to allow enzymatic hydrolysis to occur under ideal conditions in the second generation unit.
  • the present invention deals with an optimized process for the production of ethanol from energy cane, through the integration of first-generation (1G) with second-generation (2G) technologies , which has the advantages of reducing the energy and water consumption. More specifically, the secondary juice from the second milling process of the conventional process (1G) is used for dilution, in the enzymatic hydrolysis step, in the cellulosic ethanol production process (2G).
  • the present invention proposes an optimized process for the production of ethanol from energy cane, aiming at a processing with the integration of primary and secondary currents in order to reduce the energy cost of processing.
  • the bagasse with a residual sucrose content, is used to form a secondary broth, used to adjust the consistency of the reaction medium and integrate these currents. This fact reduces energy consumption in evaporators and eliminates the need to add water to adjust the consistency of the medium, which promotes enzymatic hydrolysis under ideal conditions in the second generation unit.
  • FIGURE 1 schematically represents the process of the present invention.
  • FIGURE 2 shows the results of hydrolysis efficiency as a function of the insoluble solids content (8%, 12% and 14%), with (A1 , B1 and C1 ) and without the addition of sugars (A, B and C) (sucrose, glucose and fructose) at the hydrolysis times of 8h, 24h, 48h, 72h and 96h.
  • FIGURE 3 schematically represents the traditional process.
  • FIGURE 1 schematically shows the process proposed in the present invention.
  • the first equipment (2) is the first milling process, which receives the energy cane (1) and, through pressing, generates the primary juice stream (3).
  • the primary broth (3) is directed to the evaporators (23) to increase the sucrose concentration.
  • the broth evaporated (24) then proceeds to the fermentation step of the first generation process (5) where the sucrose contained in the broth is fermented to ethanol.
  • the ethanol-containing stream from the first generation (1G) fermentation is known as 1G wine (6).
  • the bagasse, still with residual sucrose content (4), goes on to the following milling processes (8-11 ). In these milling suits, water (7) is injected in countercurrent and the secondary juice (12) is generated, with a low concentration of sugars (5-50g/l).
  • the stream composed of sugarcane bagasse-energy after the extractions (13) then goes to the pre-treatment step (14), already in the second generation unit (2G) or cellulosic ethanol.
  • the bagasse undergoes physicochemical changes and the product known as pre-treated (15) then proceeds to enzymatic hydrolysis (16).
  • This step uses the secondary broth (12) to adjust the consistency of the reaction medium (insoluble solids content 5-25%).
  • the stream (17) known as hydrolyzate is then sent to second generation fermentation (18) where sugars (mainly glucose and xylose) present in the hydrolyzate are fermented to ethanol.
  • the stream containing a high concentration of ethanol from this step is known as 2G wine (19).
  • the ethanol-containing streams from the first-generation (6) and second-generation (19) sections merge to form a single ethanol-containing stream (20) which is then sent to distillation (21) where ethanol is specified (22).
  • FIGURE 2 shows the results of hydrolysis efficiency as a function of insoluble solids content (8%, 12% and 14%), with (Tests A1, B1 and C1) and without the addition of sugars (Tests A, B and C) (sucrose, glucose and fructose) at the hydrolysis times of 8h, 24h, 48h, 72h and 96h.
  • the present invention proposes an optimized process for the production of ethanol from energy cane, aiming at a processing with the integration of primary and secondary currents. This fact reduces energy consumption in evaporators and eliminates the need to add water to adjust the consistency of the reaction medium, which promotes enzymatic hydrolysis under ideal conditions in the second generation unit.

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Abstract

A presente invenção trata de um processo otimizado para produção de etanol a partir de cana energia, através da integração das tecnologias de primeira geração (1G) com a de segunda geração (2G), que apresenta as vantagens de redução nos consumos energético e de água. Mais especificamente, o caldo secundário oriundo do segundo terno de moendas do processo convencional (1G) é utilizado para diluição, na etapa de hidrólise enzimática, no processo de produção de etanol celulósico (2G).

Description

“PROCESSO OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE AÇÚCARES DE SEGUNDA GERAÇÃO E PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO”
Campo da Invenção
[001] A presente invenção trata de um processo otimizado para produção de etanol a partir de cana energia, através da integração das tecnologias de primeira geração (1 G) com a de segunda geração (2G), que apresenta as vantagens de redução nos consumos energético e de água. Mais especificamente, o caldo secundário oriundo do segundo terno de moendas do processo convencional (1 G) é utilizado para diluição, na etapa de hidrólise enzimática, no processo de produção de etanol celulósico (2G).Tal fato reduz o consumo energético pois o caldo secundário é direcionado para diluição na etapa de hidrólise enzimática do processo de segunda geração (2G), e não mais para os evaporadores. Paralelamente, o uso do caldo secundário para diluição permite a redução no consumo de água e a concentração de açúcares para a fermentação do processo de segunda geração (2G).
Descrição do Estado da Técnica
[002] Atualmente, o etanol celulósico é visto como uma importante alternativa para auxiliar a descarbonização da matriz energética do transporte. Isto se deve à sua característica de ser produzido a partir de resíduos lignocelulósicos, o que possibilita uma baixa pegada de carbono para esse combustível.
[003] No Brasil, uma das principais matérias-primas para a produção de etanol celulósico são os resíduos da indústria sucroalcooleira, mais especificamente o bagaço e a palha de cana-de-açúcar. Neste sentido, vem sendo desenvolvida uma nova variedade de cana, conhecida como cana-energia. Essa variedade de cana-de-açúcar possui um teor de fibras superior ao observado para as variedades tradicionais, o que a torna mais atrativa para o processo de produção de etanol celulósico (2G).
[004] A Tabela I abete-4 apresenta um quadro comparativo entre algumas das características da cana-de-açúcar e da cana-energia. Tabela 1 : Características típicas da cana-de-açúcar e cana-energia. Fonte: KIM; DAY, 2010.
Figure imgf000004_0001
[005] A operação de uma planta de etanol com cana-energia segue o mesmo macroprocesso que uma unidade operando com variedades tradicionais de cana-de-açúcar. Entretanto, a operação da seção de extração de caldo possui diferenças marcantes quando operando com cana-energia.
[006] Graças ao elevado teor de fibras, em comparação a cana-de-açúcar tradicional, a extração do caldo é comparativamente mais complicada, pois as fibras tendem a reter os açúcares, o que demanda maior consumo de água para melhorar a recuperação desses açúcares.
[007] A extração do caldo de cana é realizada através da prensagem do material pelos rolos da moenda. Em geral um conjunto de 4 a 6 ternos de moenda é empregado nesta operação. No caso da extração do caldo da cana-de-açúcar, 60% a 70% dos açúcares são recuperados durante a primeira extração (prensagem no primeiro terno) e este caldo é denominado de caldo primário. [008] Os açúcares restantes são extraídos nos ternos seguintes e normalmente com a injeção de água em contracorrente, sendo este caldo denominado de caldo secundário. A mistura do caldo primário e caldo secundário compõem o caldo misto, o qual é encaminhado aos evaporadores para concentração dos açúcares e, em seguida, para a fermentação. [009] O processo de produção de etanol celulósico (2G), a partir de cana energia, é composto por três etapas principais sequenciais: pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. Na etapa de pré-tratamento o principal objetivo é aumentar a exposição da fibra para a ação enzimática na etapa subsequente, para isso as estratégias mais comuns são a explosão a vapor, pela ação de água e calor, e a hidrólise ácida. Na hidrólise enzimática, as frações poliméricas de açúcares são convertidas em açúcares monoméricos, mais notadamente a glicose e a xilose. Por fim, na etapa de fermentação, estes açúcares são convertidos a etanol.
[0010] Durante as etapas de processamento da cana energia, na unidade de etanol celulósico, as condições de operação precisam ser ajustadas para viabilizar melhores rendimentos. Um exemplo é a necessidade de ajuste da relação água:biomassa após a etapa de pré-tratamento. Em geral as principais tecnologias de pré-tratamento fornecem um material pré-tratado com umidade da ordem de 50-70%, entretanto, para a etapa de hidrólise enzimática são necessários teores de água bastante superiores para permitir a agitação do meio reacional, reduzindo o efeito de restrição difusional e proporcionando atuação mais adequada das enzimas adicionadas. Nessa etapa, os valores típicos da relação água:biomassa são da ordem de 5 a 10:1 . Ou seja, há a necessidade de adição de água ao meio.
[0011] Idealmente, a adição de água na etapa de hidrólise enzimática deve ser a menor possível, pois um hidrolisado mais diluído gera menores concentrações de etanol na etapa de fermentação, ocasionando maior consumo energético na destilação. No entanto se, por um lado, uma maior quantidade de água promove a diluição dos açúcares gerados, por outro, a maior diluição diminui as restrições difusionais permitindo uma ação mais efetiva do coquetel enzimático. Desta forma, a determinação do teor de água ótimo na hidrólise enzimática é função da biomassa e o coquetel enzimático empregados.
[0012] É preciso destacar que o processamento da cana energia apresenta algumas desvantagens. A primeira delas envolve a fase de prensagem, em unidades de primeira geração (1 G), em que a extração do caldo é impactada pelo elevado teor de fibras do material, acarretando na necessidade de maior injeção de água para obtenção do caldo secundário. Neste aspecto, o caldo misto obtido pela mistura dos caldos primário e secundário é mais diluído e essa maior diluição do caldo leva a um maior consumo energético nos evaporadores. [0013] Em outro aspecto, a utilização da cana energia em unidades de segunda geração (2G) demanda a adição de água ao meio, para ajuste da relação água:biomassa na etapa de hidrólise enzimática, visando reduzir o efeito de restrição difusional e melhorar o desempelho das enzimas adicionadas.
[0014] De modo a aprimorar o processo de utilização da cana energia, o documento BR1120150155960 propõe um processo para produzir açúcares fermentáveis de biomassa integral, em especial, açúcares fermentáveis de cana- de-açúcar, cana-energia integral e milho integral. Para tanto, na fase de pré- tratamento, a biomassa é introduzida a um digestor, na presença de um catalisador ácido e um solvente para a lignina. Após o pré-tratamento, seguem- se as etapas de hidrólise e fermentação. Ocorre que, neste documento não foi proposta nenhuma forma de integração entre etapas de primeira e segunda geração, o que acaba por não solucionar os problemas técnicos relacionados a necessidade de correção do meio e redução do consumo energético dos evaporadores.
[0015] Ainda no que tange as tentativas de solução para os problemas de processamento de cana energia, o documento BR112012031615 propõe a produção de biocombustíveis em que, a matéria prima, dentre as quais, a cana energia, é submetida a uma unidade de esmagamento. Neste processo, há uma integração das unidades de primeira e segunda geração, em que é gerado o combustível. No entanto, o mencionado documento trata da produção integrada de butanol e biodiesel e não cita nenhuma solução relevante para a produção de etanol. Mais especificamente nenhuma integração entre a unidade de extração de hexoses e a unidade de conversão enzimática.
[0016] No sentido de melhorar o desempenho económico de plantas operando com cana energia, a presente invenção propõe a integração de unidades de produção de etanol de primeira (1 G) e segunda geração (2G). A integração entre as unidades de primeira e segunda geração permite a redução de custos de investimento e de operação através do compartilhamento de equipamentos e redução do consumo energético das mesmas, solucionando os problemas técnicos apontados.
[0017] Dessa forma, o processo descrito na presente invenção aponta para um método eficiente de processamento de cana energia, que abrange a utilização do caldo secundário, gerado na etapa de extração da unidade de primeira geração (1 G), para diluição na etapa de hidrólise enzimática da unidade de segunda geração (2G), em substituição à adição de água. Trata-se, portanto, de uma forma de integração entre as unidades de produção, que proporciona um visível melhoramento no processo, traduzido na redução de investimentos em equipamento e nos custos de operação.
Descrição Resumida da Invenção
[0018] A presente invenção proporciona um melhor aproveitamento energético através da integração de correntes entre as unidades de produção de etanol de primeira e segunda geração operando com cana-energia. Assim, os problemas de processamento de cana energia, se resumem em duas características intrínsecas dos processos de primeira e segunda geração. São elas: a. A menor concentração de açúcares no caldo secundário da extração da cana- energia, em unidades de primeira geração, o que provoca elevação do consumo energético para a evaporação e; b. A necessidade de adição de água para ajuste da consistência do meio para permitir a ocorrência da hidrólise enzimática em condições ideais na unidade de segunda geração.
[0019] De forma a solucionar as limitações acima descritas, a presente invenção trata de um processo otimizado para produção de etanol a partir de cana energia, através da integração das tecnologias de primeira geração (1 G) com a de segunda geração (2G), que apresenta as vantagens de redução nos consumos energético e de água. Mais especificamente, o caldo secundário oriundo do segundo terno de moendas do processo convencional (1 G) é utilizado para diluição, na etapa de hidrólise enzimática, no processo de produção de etanol celulósico (2G). A presente invenção propõe um processo otimizado para produção de etanol a partir de cana energia, visando um processamento com a integração de correntes primária e secundária com a finalidade de redução do gasto energético de processamento. Para tanto, após um primeiro processamento, o bagaço, com um teor de sacarose residual é utilizado para a formação de um caldo secundário, utilizado para ajuste da consistência do meio reacional e integração das referidas correntes. Tal fato reduz o consumo energético nos evaporadores e elimina a necessidade de adição de água para ajuste de consistência do meio, o que promove a hidrólise enzimática em condições ideais na unidade de segunda geração.
Breve Descrição dos Desenhos
[0020]A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo, onde:
[0021] A FIGURA 1 representa de forma esquemática o processo da presente invenção.
[0022] A FIGURA 2 apresenta os resultados de eficiência de hidrólise em função do teor de sólidos insolúveis (8%, 12% e 14%), com (A1 , B1 e C1 ) e sem a adição de açúcares (A, B e C) (sacarose, glicose e frutose) nos tempos de hidrólise de 8h, 24h, 48h, 72h e 96h.
[0023] A FIGURA 3 representa de forma esquemática processo tradicional.
Descrição Detalhada da Invenção
[0024] A FIGURA 1 mostra de forma esquemática o processo proposto na presente invenção. Nesta, o primeiro equipamento (2) é o primeiro terno da moenda, que recebe a cana-energia (1 ) e, através da prensagem, gera a corrente de caldo primário (3). O caldo primário (3) é direcionado aos evaporadores (23) para o aumento da concentração de sacarose. O caldo evaporado (24) segue então para a etapa de fermentação do processo de primeira geração (5) onde a sacarose contida no caldo é fermentada a etanol. A corrente contendo etanol da fermentação de primeira geração (1G) é conhecida como vinho 1 G (6). O bagaço, ainda com teor de sacarose residual (4), segue para os ternos de moenda seguintes (8-11 ). Nesses ternos de moenda a água (7) é injetada em contracorrente e é gerado o caldo secundário (12), com baixa concentração de açúcares (5-50g/l).
[0025] A corrente composta de bagaço de cana-energia após as extrações (13) segue então para a etapa de pré-tratamento (14), já na unidade de segunda geração (2G) ou etanol celulósico. Na etapa de pré-tratamento, o bagaço sofre alterações físico-químicas e o produto conhecido como pré-tratado (15) segue então para a hidrólise enzimática (16). Essa etapa utiliza o caldo secundário (12) para o ajuste da consistência do meio reacional (teor de sólidos insolúveis 5- 25%). A corrente (17) conhecida como hidrolisado é então enviada a fermentação de segunda geração (18) onde os açúcares (principalmente glicose e xilose) presentes do hidrolisado são fermentados a etanol. A corrente contendo elevada concentração de etanol oriunda desta etapa é conhecida como vinho 2G (19). As correntes contendo etanol oriundas das seções de primeira geração (6) e de segunda geração (19) se unem formando uma única corrente contendo etanol (20) que é então enviada para destilação (21 ) onde o etanol é especificado (22).
Exemplos
[0026] Para confirmar a viabilidade da hipótese apresentada foi executado um conjunto de experimentos visando avaliar o impacto da utilização de uma corrente aquosa contendo açúcares, simulando o caldo secundário da extração de cana-energia, na etapa de hidrólise enzimática para a ressuspensão da biomassa pré-tratada.
[0027] O bagaço pré-tratado foi lavado para a remoção de açúcares, inibidores e lignina ácido solúvel antes da condução dos experimentos. Os testes foram realizados com três diferentes teores de sólidos insolúveis (8% m/m; 12 %m/m e 14 %m/m), carga enzimática de 2,5 % m/m (enzima/ bagaço de cana seco), 5 tempos de hidrólise enzimática (8 h; 24 h; 48 h; 72 h e 96 h), com e sem adição de açúcares e em duplicata.
[0028] As adições de açúcares foram realizadas nos frascos para cada condição e de modo a ter uma concentração inicial de 25 g de sacarose/L, 4 g de glicose/L e 4 g de frutose/L, simulando a utilização da corrente aquosa de extração do caldo secundário. Para avaliação dos efeitos desta corrente de caldo secundário, experimentos sem adição de açúcares também foram conduzidos nas mesmas condições de teores de sólidos insolúveis, carga enzimática e tempos de hidrólise enzimática.
[0029] Como variável de resposta foi utilizada a eficiência de hidrólise. Essa variável mede a recuperação de açúcares presentes no bagaço de cana pré- tratado, após a etapa de hidrólise enzimática.
[0030] A FIGURA 2 apresenta os resultados de eficiência de hidrólise em função do teor de sólidos insolúveis (8%, 12% e 14%), com (Testes A1 , B1 e C1) e sem a adição de açúcares (Testes A, B e C) (sacarose, glicose e frutose) nos tempos de hidrólise de 8h, 24h, 48h, 72h e 96h.
[0031]Conforme o esperado observa-se que a elevação do teor de sólidos leva a uma redução da eficiência de hidrólise. Esse fenômeno é frequentemente correlacionado com uma piora nas condições de transferência de massa e a perda de enzimas por adsorção improdutiva, principalmente na lignina. [0032]0utra observação que também era esperada está relacionada ao efeito do aumento do tempo de hidrólise enzimática. Em geral, maiores tempos de hidrólise provocam ganhos na eficiência, porém os ganhos são maiores em condições de baixo teor de sólidos e na região de menor tempo de residência (8- 48h). De fato, para teores de sólidos maiores que 8%, observou-se que a elevação dos tempos de residência acima de 48h não trouxe vantagens significativas.
[0033]Com relação ao efeito inibitório, considerando-se as incertezas dos experimentos, os resultados obtidos com e sem a presença de açúcares tipicamente presentes no caldo secundário são equivalentes, indicando que a solução é tecnicamente viável.
[0034] Dessa forma, a presente invenção propõe um processo otimizado para produção de etanol a partir de cana energia, visando um processamento com a integração de correntes primária e secundária. Tal fato reduz o consumo energético nos evaporadores e elimina a necessidade de adição de água para ajuste de consistência do meio reacional, o que promove a hidrólise enzimática em condições ideais na unidade de segunda geração.

Claims

Reivindicações
1. PROCESSO OTIMIZADO PARA A PRODUÇÃO DE AÇÚCARES DE SEGUNDA GERAÇÃO E PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO caracterizado pelo fato de que integra as tecnologias de primeira geração (1G) com a de segunda geração (2G), através da utilização do caldo secundário oriundo do segundo terno de moendas do processo convencional (1G) para diluição, na etapa de hidrólise enzimática, no processo de produção de etanol celulósico (2G), e compreende as seguintes etapas:
(a) processar a cana-energia (1) através da prensagem, gerando o caldo primário (3) a ser direcionado aos evaporadores (23);
(b) concentrar o caldo primário (3), proveniente da etapa (a), nos evaporadores (23);
(c) fermentar o caldo primário concentrado (24) na unidade de fermentação de primeira geração;
(d) processar o bagaço (4), proveniente da etapa (a), com injeção de água (7), nos ternos de moenda seguintes (8-11) gerando o caldo secundário (12); d) pré-tratar (14) o bagaço proveniente da etapa (c); e) hidrolisar o pré-tratado (15), proveniente da etapa (d) através de hidrólise enzimática (16) f) utilizar o caldo secundário (12) para o ajuste da consistência do meio reacional da etapa de hidrólise enzimática (16); g) fermentar (18) o hidrolisado (17), proveniente da etapa (f), a etanol.
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que as correntes contendo etanol oriundas das seções de primeira geração (6) e de segunda geração (19) se unem formando uma única corrente contendo etanol (20).
3. PROCESSO, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a corrente de etanol (20) é enviada para destilação (21) onde o etanol é especificado (22).
4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o primeiro equipamento (2) é o primeiro terno da moenda, que recebe a cana-energia (1) e através da prensagem gera a corrente de caldo primário (3).
5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o caldo primário é direcionado aos evaporadores (23) para o aumento da concentração de sacarose.
6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o caldo evaporado (24) segue então para a etapa de fermentação de primeira geração (5) onde a sacarose contida no caldo é fermentada a etanol.
7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o bagaço com teor de sacarose residual (4) segue para os ternos de moenda seguintes (8-11 ), quando é injetada água, em contracorrente, para gerar uma corrente de caldo secundário (12), com baixa concentração de açúcares.
8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a corrente composta de bagaço de cana-energia após as extrações (13) segue então para a etapa de pré-tratamento (14), na unidade de segunda geração (etanol celulósico).
9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que na etapa de pré-tratamento (14), o bagaço sofre alterações físico-químicas e o produto conhecido como pré-tratado (15) segue então para a hidrólise enzimática (16).
10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o caldo secundário (12) é utilizado ajuste a consistência do meio reacional, na fase de hidrólise enzimática, permitindo uma redução no gasto energético do processo.
11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o hidrolisado (17) é enviado a fermentação de segunda geração (18) onde os açúcares, principalmente glicose e xilose presentes do hidrolisado, são fermentados a etanol.
12. PROCESSO, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por utilizar cana energia como matéria prima.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009102256A2 (en) * 2008-02-11 2009-08-20 Sekab E-Technology Ab Method of production of ethanol from two different starting materials
WO2009155673A1 (en) * 2008-06-23 2009-12-30 Ctc - Centro De Tecnologia Canavieira Fermentative process for lignocellulosic plant biomass
BRPI0802559A2 (pt) * 2008-07-04 2010-03-09 Unicamp processo de pré-tratamento e hidrólise de biomassa vegetal lignocelulósica, e produto para a produção industrial de álcoois
US20140053827A1 (en) * 2009-11-30 2014-02-27 CTC-Cento de Tecnologia Canavieira S.A. Method for processing vegetable biomass
WO2015120859A1 (en) * 2014-02-11 2015-08-20 Inbicon A/S Methods of processing sugar cane and sweet sorghum with integrated conversion of primary and lignocellulosic sugars
WO2017029410A1 (en) * 2015-08-20 2017-02-23 Inbicon A/S Process of lignocellulosic biomass conversion with addition of raw sugar juice

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009102256A2 (en) * 2008-02-11 2009-08-20 Sekab E-Technology Ab Method of production of ethanol from two different starting materials
WO2009155673A1 (en) * 2008-06-23 2009-12-30 Ctc - Centro De Tecnologia Canavieira Fermentative process for lignocellulosic plant biomass
BRPI0802559A2 (pt) * 2008-07-04 2010-03-09 Unicamp processo de pré-tratamento e hidrólise de biomassa vegetal lignocelulósica, e produto para a produção industrial de álcoois
US20140053827A1 (en) * 2009-11-30 2014-02-27 CTC-Cento de Tecnologia Canavieira S.A. Method for processing vegetable biomass
WO2015120859A1 (en) * 2014-02-11 2015-08-20 Inbicon A/S Methods of processing sugar cane and sweet sorghum with integrated conversion of primary and lignocellulosic sugars
WO2017029410A1 (en) * 2015-08-20 2017-02-23 Inbicon A/S Process of lignocellulosic biomass conversion with addition of raw sugar juice

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