BR112012032208B1 - métodos para produção de um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa - Google Patents

Abstract

fermentação de biomassa. um método para produzir um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa que foi tradada e separada em um primeiro componente e um segundo componente é fornecido. o método compreende o preparo de uma lama compreendendo: fornecer o primeiro componente ao sistema de fermentação; e fornecer um produtor de etanol ao sistema de fermentação. o método também compreende ajustar o ph da lama a uma faixa de cerca de 4,5 a cerca de 6,5, mantendo o primeiro componente e o produtor de etanol no sistema de fermentação a uma temperatura entre cerca de 25 a cerca de 37<198>c, e recuperar o produto de fermentação a partir do sistema de fermentação. o produtor de etanol é fornecido ao sistema de fermentação em uma concentração de menos do que 2 gramas de produtor de etanol em base seca por litro de lama. a biomassa compreende material lignocelulósico. o primeiro componente compreende pentose, que pode compreender xilose. o produtor de etanol é capaz de fermentar xilose em etanol.

Description

"MÉTODOS PARA PRODUÇÃO DE UM PRODUTO DE FERMENTAÇÃO EM UM SISTEMA DE FERMENTAÇÃO A PARTIR DE BIOMASSA" Referência cruzada a pedidos relacionados Este é um pedido que reivindica prioridade ao, e incorpora por referência o, seguinte pedido: Pedido Provisório U.S. No. de Série 61/355.922, intitulado "SYSTEM FOR FERMENTATION OF BIOMASS", depositado em 17 de junho de 2010.

Campo A divulgação exposta refere-se a um sistema para a fermentação de biomassa a ser usada na produção de etanol.

Antecedentes O etanol pode ser produzido a partir de matérias-primas baseadas em grãos (p.ex., o milho, o sorgo/milo, a cevada, o trigo, os feijões-soja, etc.), a partir de açúcar (p.ex., a partir de cana-de-açúcar, beterrabas, etc.), e a partir de biomassa (p.ex., a partir de matérias-primas celulósicas, tais como a grama selvagem Dakota ("switchgrass"), as espigas e a forragem de milho, a madeira ou outro material de planta). A biomassa compreende matéria de planta que pode ser adequada para uso direto como uma fonte de combustível/energia ou como uma matéria-prima para o processamento em outro bioproduto (p.ex., um biocombustível, tal como o etanol celulósico) produzido em uma biorrefinaria (tal como uma usina de etanol). A biomassa pode compreender, por exemplo, as espigas e a forragem de milho (p.ex., os talos e as folhas), tornados disponíveis durante e/ou após a colheita dos grãos de milho, da fibra do grão de milho, da grama selvagem Dakota, do resíduo da fazenda ou agrícola, das lascas de madeira ou de outro resíduo da madeira, e outra matéria de planta. Para ser usada ou processada, a biomassa será colhida e coletada do campo e transportada para o local onde ela é para ser usada ou processada.

Em uma biorrefinaria configurada para produzir etanol a partir de biomassa, tal como as matérias-primas celulósicas, o etanol é produzido a partir de material lignocelulósico (p.ex., celulose e/ou hemicelulose). A biomassa é preparada de modo que os açúcares na material celulósico (tais como a glicose da celulose e a xilose da hemicelulose) possam ser acessados e fermentados até um produto de fermentação que compreenda o etanol (entre outras coisas). O produto de fermentação é então enviado para o sistema de destilação, onde o etanol é recuperado por destilação e desidratação. Outros bioprodutos, tais como a lignina e os ácidos orgânicos, podem também ser recuperados como coprodutos. A determinação de como preparar e tratar mais eficientemente a biomassa para a produção em etanol dependerá (entre outras coisas) da forma e do tipo ou da composição da biomassa.

Seria vantajoso proporcionar um sistema e um método para fermentar um componente líquido da biomassa pré-tratada. Também seria vantajoso proporcionar um sistema e um método para fermentar um componente líquido da biomassa pré-tratada em uma fermentação em batelada alimentada que utiliza uma baixa dose de levedura. Seria adicionalmente vantajoso proporcionar um sistema que proporcionasse uma ou mais características para facilitar o aperfeiçoamento na eficiência e no rendimento de etanol celulósico a partir de biomassa.

Resumo A presente divulgação refere-se a um método para produzir um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa que tenha sido pré-tratada e separada em um primeiro componente e um segundo componente. O método compreende preparar uma lama compreendendo: fornecer o primeiro componente ao sistema de fermentação e fornecer um produtor de etanol ao sistema de fermentação. O método também compreende ajustar o pH da lama para uma faixa de cerca de 4,5 a cerca de 6,5, manter o primeiro componente e o produtor de etanol no sistema de fermentação em uma temperatura de entre cerca de 25 e cerca de 37 graus Celsius, e recuperar o produto de fermentação a partir do sistema de fermentação. O produtor de etanol é fornecido ao sistema de fermentação em uma concentração de menos do que cerca de 2 gramas de produtor de etanol, em uma base seca, por litro de lama. A biomassa compreende material lignocelulósico. O primeiro componente compreende a pentose. A pentose compreende a xilose. O produtor de etanol é capaz de fermentar a xilose até etanol. A divulgação exposta também se refere a um método para produzir um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa lignocelulósica que tenha sido pré-tratada e separada em um primeiro componente e um segundo componente. O método compreende: preparar uma lama compreendendo: fornecer o primeiro componente ao sistema de fermentação e fornecer um produtor de etanol ao sistema de fermentação em uma concentração de menos do que cerca de 2 gramas de produtor de etanol, em uma base seca, por litro de lama. O produtor de etanol é capaz de fermentar a xilose em etanol. O método também compreende ajustar o pH da lama até uma faixa de cerca de 4,5 a cerca de 6,5, manter o primeiro componente e o produtor de etanol no sistema de fermentação em uma temperatura de entre cerca de 25 e cerca de 37 graus Celsius, por uma duração de pelo menos cerca de 48 horas, e fornecer uma quantidade adicional do primeiro componente à lama. O primeiro componente compreende a xilose e o fornecimento da quantidade adicional do primeiro componente começa pelo menos cerca de 5 horas, porém não mais do que cerca de 40 horas, após o fornecimento do produtor de etanol à lama. A quantidade adicional do primeiro componente é fornecida à lama em uma taxa de cerca de 2 a cerca de 5 gramas de xilose adicionada por litro de lama por hora. A quantidade total de xilose adicionada à lama é entre cerca de 110 a cerca de 140 gramas por litro de lama. O método também inclui recuperar o produto de fermentação do sistema de fermentação. O produto de fermentação compreende o etanol, e onde pelo menos cerca de 75 por cento da xilose foram convertidos em etanol por fermentação. A biomassa lignocelulósica consiste essencialmente em espigas de milho, cascas de planta de milho, folhas de planta de milho, e talos de milho.

Figuras e tabelas A FIGURA 1A é uma vista em perspectiva de uma biorrefinaria que compreende uma instalação de produção de etanol celulósico. A FIGURA 1B é uma vista em perspectiva de uma biorrefinaria que compreende uma instalação de produção de etanol celulósico e uma instalação de produção de etanol à base de milho. A FIGURA 2 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema para o recebimento e a preparação de biomassa para uma instalação de produção de etanol celulósico. A FIGURA 3 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema para a produção de etanol a partir de biomassa.

As FIGURAS 4A, 4B, e 4C são diagramas de blocos esquemáticos de sistemas para o tratamento de componentes removidos na produção de etanol a partir de biomassa.

As FIGURAS 5A e 5B são diagramas esquemáticos do fluxo de processo para os sistemas para a produção de etanol a partir de biomassa. A FIGURA 6A é um diagrama de blocos esquemático de uma aparelhagem usada para a preparação, o pré-tratamento, e a separação de biomassa. A FIGURA 6B é uma vista em perspectiva de uma aparelhagem usada para pré-tratar e separar a biomassa.

As FIGURAS 7A e 7B são diagramas de blocos esquemáticos de um sistema para a fermentação do componente líquido (C5). A FIGURA 8A é um diagrama de blocos esquemático de um sistema para a fermentação de componente líquido (C5). A FIGURA 8B é um diagrama de um sistema para a fermentação do componente líquido (C5). A FIGURA 9 é uma vista em perspectiva de uma aparelhagem usada para a fermentação do componente líquido (C5).

As FIGURAS 10A e 10B são gráficos dos resultados obtidos a partir do sistema de fermentação de acordo com uma modalidade ilustrativa.

As FIGURAS 11A e 11B são gráficos dos resultados obtidos a partir do sistema de fermentação de acordo com uma modalidade ilustrativa.

As FIGURAS 12A e 12B são gráficos dos resultados obtidos a partir do sistema de fermentação de acordo com uma modalidade ilustrativa.

As TABELAS 1A e 1B listam a composição da biomassa compreendendo material de planta lignocelulósico a partir da planta do milho de acordo com as modalidades ilustrativas e representativas.

As TABELAS 2A e 2B listam a composição do componente líquido de biomassa pré-tratada de acordo com as modalidades ilustrativas e representativas.

As TABELAS 3A e 3B listam a composição do componente sólido de biomassa pré-tratada de acordo com as modalidades ilustrativas e representativas.

As TABELAS 4 até 6 proporcionam dados e resultados obtidos a partir do sistema de fermentação de acordo com as modalidades ilustrativas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Com referência à FIGURA 1A, mostra-se uma biorrefinaria 100 configurada para produzir etanol a partir de biomassa.

De acordo com uma modalidade ilustrativa, a biorrefinaria 100 é configurada para produzir etanol a partir de biomassa na forma de uma matéria-prima lignocelulósica, tal como o material de planta a partir da planta de milho (p.ex., as espigas de milho e a forragem de milho). A matéria-prima lignocelulósica, tal como o material lignocelulósico a partir da planta de milho, compreende a celulose (a partir da qual os açúcares de C6, tais como a glicose, podem ser disponibilizados) e/ou a hemicelulose (a partir da qual os açúcares de C5, tais como a xilose e a arabinose, podem ser disponibilizados).

Conforme mostrado na FIGURA 1A, a biorrefinaria 100 compreende uma área onde a biomassa é proporcionada e preparada para ser fornecida para a instalação de produção de etanol celulósico. A instalação de produção de etanol celulósico compreende a aparelhagem para a preparação 102, o pré-tratamento 104, e o tratamento da biomassa em biomassa tratada, adequada para a fermentação em produto de fermentação, em um sistema de fermentação 106. A instalação compreende um sistema de destilação 108, no qual o produto de fermentação é destilado e desidratado até o etanol. Conforme mostrado na FIGURA 1A, a biorrefinaria 100 pode também compreender um sistema de tratamento de resíduo 110 (mostrado como compreendendo um digestor anaeróbico e um gerador). De acordo com outras modalidades alternativas, o sistema de tratamento de resíduo pode compreender outro equipamento configurado para tratar, processar, e recuperar os componentes do processo de produção de etanol celulósico, tal como uma caldeira de combustível sólido/residual, digestor anaeróbico, digestor aeróbico ou outros reatores bioquímicos ou químicos.

Conforme mostrado na FIGURA 1B, de acordo com uma modalidade ilustrativa, uma biorrefinaria 112 pode compreender uma instalação de produção de etanol celulósico 114 (que produz etanol a partir de material lignocelulósico e componentes da planta de milho) localizada junto a uma instalação de produção de etanol à base de milho 116 (que produz etanol a partir de amido contido no componente de endosperma do grão de milho). Conforme indicado na FIGURA 1B, por localização conjunta das duas instalações de produção de etanol, podem ser compartilhados certos sistemas de plantas, por exemplo, os sistemas para desidratação, armazenagem, desnaturação, e transporte de etanol, os sistemas para a geração de energia/combustível em energia, os sistemas de manejo e de controle de plantas, e outros sistemas. A fibra de milho (um componente do grão de milho), a qual pode ser disponibilizada quando o grão de milho for preparado para a moagem (p.ex., por fracionamento) na instalação de produção de etanol à base de milho, pode ser fornecida à instalação de produção de etanol celulósico 114 como uma matéria-prima. As fontes de combustível ou energia, tais como o metano ou a lignina da instalação de produção de etanol celulósico 114, podem ser usadas para fornecer energia para uma ou outra ou para ambas as instalações localizadas conjuntamente. De acordo com outras modalidades alternativas, uma biorrefinaria (p.ex., uma instalação de produção de etanol celulósico) pode estar localizada junto a outros tipos de usinas e instalações, por exemplo, uma usina elétrica, uma instalação de tratamento de resíduo, uma serraria, uma fábrica de papel, ou uma instalação que processa produtos agrícolas.

Com referência à FIGURA 2, mostra-se um sistema 200 para a preparação de biomassa fornecida para a biorrefinaria. O sistema de preparação de biomassa 200 pode compreender uma aparelhagem para o recebimento/descarregamento da biomassa, a limpeza (p.ex., remoção de matéria estranha), a trituração (p.ex., moagem, redução ou densificação), e o transporte e a condução para o processamento na usina. De acordo com uma modalidade ilustrativa, a biomassa 202, na forma de espigas e forragem de milho, pode ser fornecida para a biorrefinaria e armazenada 204 (p.ex., em fardos, pilhas ou caixas, etc.) e controlada para uso na instalação. De acordo com uma modalidade, a biomassa pode compreender pelo menos cerca de 20 a cerca de 30 por cento de espigas de milho (em peso) com forragem de milho e outra matéria. De acordo com outras modalidades ilustrativas, um sistema de preparação 206 da biorrefinaria pode ser configurado para preparar qualquer de uma ampla variedade de tipos de biomassa (p.ex., material de planta), ilustrada como biomassa preparada 208, para o tratamento e o processamento em etanol e outros bioprodutos na usina.

Com referência à FIGURA 3, mostra-se um diagrama esquemático da instalação de produção de etanol celulósico. De acordo com algumas modalidades, a biomassa compreendendo material de planta a partir da planta de milho é preparada e limpa em um sistema de preparação. Após a preparação, a biomassa é misturada com a água até uma lama e é pré-tratada em um sistema de pré-tratamento 302. No sistema de pré-tratamento 302, a biomassa é decomposta (p.ex., por hidrólise) para facilitar a separação 304 em um componente líquido (p.ex., uma corrente compreendendo os açúcares de C5) e um componente sólido (p.ex., uma corrente compreendendo celulose, a partir da qual os açúcares de C6 podem ser tornados disponíveis). O componente líquido contendo açúcares de C5 (corrente de C5) e o componente sólido contendo açúcares de C6 (corrente de C6) podem ser tratados em um sistema de tratamento 306 (conforme possa ser adequado) e fermentados em um sistema de fermentação 308. O produto de fermentação a partir do sistema de fermentação 308 é fornecido a um sistema de destilação 310, onde o etanol 312 é recuperado.

Conforme mostrado nas FIGURAS 3 e 4A, 4B e 4C, os componentes removidos do tratamento (p.ex., do sistema de tratamento 306) da corrente de C5 e/ou C6 podem ser tratados ou processados para recuperar os subprodutos, tais como os ácidos orgânicos, o furfural e a lignina. Os componentes removidos durante o tratamento e a produção de etanol a partir da biomassa de cada uma ou de ambas a corrente de C5 e a corrente de C6 (ou na destilação) podem ser tratados ou processados em bioprodutos ou em combustível (tal como a lignina para uma caldeira de combustível sólido ou o metano produzido por tratamento de matéria residual/removida, tal como ácidos e lignina em um digestor anaeróbico) ou recuperados para uso ou reutilização. Conforme mostrado nas FIGURAS 4A, 4B e 4C, os componentes removidos durante o tratamento e a produção de etanol a partir da biomassa de cada uma ou de ambas a corrente de C5 e a corrente de C6 (ou na destilação) podem ser processados em bioprodutos (p.ex., subprodutos ou coprodutos) ou recuperados para uso ou reutilização. Conforme mostrado na FIGURA 4C, os componentes removidos do sistema de destilação (tal como a vinhaça ou os sólidos removidos) ou do tratamento do produto de fermentação antes da destilação (p.ex., os sólidos removidos e a matéria particulada, que pode compreender a lignina residual, etc.), podem ser tratados ou processados em bioprodutos ou combustível (p.ex., o metano produzido em um digestor anaeróbico).

De acordo com uma modalidade, a biomassa compreende material de planta a partir da planta de milho, tal como as espigas, as cascas e as folhas e os talos de milho (p.ex., pelo menos a metade superior ou uma porção de três quartos do talo); a composição do material de planta (p.ex., celulose, hemicelulose e lignina) será aproximadamente conforme indicada nas TABELAS 1A e 1B (p.ex., após pelo menos a preparação inicial da biomassa, incluindo a remoção de qualquer matéria estranha). De acordo com algumas modalidades, o material de planta compreende as espigas, as cascas/folhas e os talos de milho; por exemplo, o material de planta pode compreender (em peso) até 100 por cento de espigas, até 100 por cento de cascas/folhas, aproximadamente 50 por cento de espigas e aproximadamente 50 por cento de cascas/folhas, aproximadamente 30 por cento de espigas e aproximadamente 50 por cento de cascas/folhas e aproximadamente 20 por cento de talos, ou qualquer de uma ampla variedade de outras combinações de espigas, cascas/folhas, e talos da planta de milho. Ver a TABELA 1A. De acordo com uma modalidade alternativa, o material de planta lignocelulósico pode compreender a fibra do grão de milho (p.ex., em alguma combinação com outro material de planta). A TABELA 1B proporciona as faixas típicas e esperadas, acreditadas serem representativas da composição de biomassa compreendendo material lignocelulósico da planta de milho. De acordo com as modalidades ilustrativas, o material de planta lignocelulósico da biomassa (a partir da planta de milho) compreenderá (em peso) a celulose em torno de 30 a cerca de 55 por cento, a hemicelulose em torno de 20 a cerca de 50 por cento, e a lignina em torno de 10 a cerca de 25 por cento; de acordo com uma modalidade particular, o material de planta lignocelulósico da biomassa (p.ex., as espigas, as cascas/folhas, e as porções do talo a partir da planta de milho) compreenderá (em peso) a celulose em torno de 35 a cerca de 45 por cento, a hemicelulose em torno de 24 a cerca de 42 por cento, e a lignina em torno de 12 a cerca de 20 por cento. De acordo com uma modalidade particular, o pré-tratamento da biomassa produzirá um componente líquido que compreende (em peso) a xilose em não menos do que 1,0 por cento e um componente sólido que compreende (em peso) a celulose (a partir da qual a glicose pode ser disponibilizada) em não menos do que 45 por cento.

Com referência às FIGURAS 5A e 5B, são ilustradas as modalidades ilustrativas dos sistemas 500, 502 para a produção de etanol a partir de biomassa. Conforme mostrado nas FIGURAS 5A e 5B, a biomassa é preparada e limpa em um sistema de preparação 504 e é pré-tratada em um sistema de pré-tratamento 506 e então separada (em um sistema de separação 508) em um componente líquido e um componente sólido. Após o pré-tratamento e a separação, a corrente de C5 e a corrente de C6 são processadas separadamente; conforme mostrado, a corrente de C5 e a corrente de C6 podem ser processadas separadamente, antes da fermentação em conjunto (fermentação de C5/C6, conforme mostrada na FIGURA 5A), ou processadas separadamente, incluindo a fermentação separada (fermentação de C5 e fermentação de C6 separadas, conforme mostradas na FIGURA 5B). O tratamento da corrente de C5 (componente líquido) da biomassa pode ser efetuado em uma tentativa de remover os componentes que forem inibitórios para a fermentação eficiente (p.ex., o furfural, o Hidroximetilfurfural (HMF), o ácido sulfúrico, e o ácido acético) e a lignina residual (ou outra matéria) que pode não ser fermentável a partir do componente de açúcar de C5, de modo que os açúcares (p.ex., a xilose, a arabinose, bem como outros açúcares, tais como a glicose) estejam disponíveis para a fermentação. Os açúcares de C5 na corrente de C5 podem também ser concentrados para melhorar a eficiência da fermentação (p.ex., para melhorar o título do etanol para a destilação). O tratamento da corrente de C6 (o componente sólido) da biomassa pode ser efetuado para tornar os açúcares de C6 disponíveis para a fermentação. De acordo com algumas modalidades, a hidrólise (tal como a hidrólise de enzima) pode ser efetuada para acessar os açúcares de C6 na celulose; o tratamento pode também ser efetuado em uma tentativa de remover a lignina e os outros componentes não fermentáveis na corrente de C6 (ou remover os componentes, tais como o ácido ou os ácidos residuais, que possam ser inibitórios para a fermentação eficiente).

De acordo com uma modalidade ilustrativa mostrada na FIGURA 5A, após o pré-tratamento e a separação, a corrente de C5 e a corrente de C6 podem ser tratadas separadamente (p.ex., em um sistema de tratamento separado 510, 512) e subsequentemente combinadas após o tratamento (p.ex., como uma lama) para a fermentação em conjunto em um sistema de fermentação 514, para produzir um produto de fermentação de C5/C6 a partir dos açúcares disponíveis (p.ex., a xilose e a glicose); o produto de fermentação de C5/C6 pode (após o tratamento (em um sistema de tratamento 516), se houver algum) ser fornecido para um sistema de destilação 518 para a recuperação do etanol (p.ex., através de destilação e desidratação). De acordo com uma modalidade ilustrativa mostrada na FIGURA 5B, a corrente de C5 e a corrente de C6 podem, cada uma, ser separadamente processadas através de fermentação, nos sistemas de fermentação 520, 522, e destilação, nos sistemas de destilação 524, 526 (após o tratamento nos sistemas de tratamento 528, 530, se houver algum) para produzir o etanol. De acordo com algumas modalidades, um organismo fermentador adequado (produtor de etanol) é usado no sistema de fermentação; a seleção de um produtor de etanol pode ser baseada em diversas considerações, tais como os tipos predominantes de açúcares presentes na lama. A desidratação e/ou a desnaturação do etanol produzido a partir da corrente de C5 e da corrente de C6 podem ser efetuadas separadamente ou em combinação.

As FIGURAS 6A e 6B mostram uma aparelhagem 600 usada para a preparação, o pré-tratamento, e a separação da biomassa lignocelulósica de acordo com uma modalidade ilustrativa. Conforme mostrado, a biomassa 602 é preparada em um moedor 604 (p.ex., um moedor ou outro aparelho ou moinho adequado). O pré-tratamento 606 da biomassa preparada 608 é efetuado em um vaso de reação (ou conjunto de vasos de reação 610) fornecido com a biomassa preparada e ácido/água em uma concentração (ou pH) predeterminada e outras condições de operação. Conforme mostrado na FIGURA 6B, a biomassa pré-tratada pode ser separada em uma centrífuga 612 em um componente líquido 614 (corrente de C5 compreendendo principalmente líquidos com alguns sólidos) e um componente sólido 616 (corrente de C6 compreendendo líquidos e sólidos, tais como a lignina e a celulose a partir da qual a glicose pode ser tornada disponível por tratamento adicional).

De acordo com algumas modalidades, no sistema de pré-tratamento, um ácido será aplicado à biomassa preparada para facilitar a decomposição da biomassa para a separação no componente líquido (corrente de C5, a partir da qual os açúcares de C5 fermentáveis podem ser recuperados) e no componente sólido (corrente de C6, a partir da qual os açúcares de C6 fermentáveis podem ser acessados). De acordo com algumas modalidades, o ácido pode ser aplicado à biomassa em um vaso de reação, sob condições de operação determinadas (p.ex., concentração do ácido, pH, temperatura, tempo, pressão, carga de sólidos, vazão, fornecimento de água ou vapor de processo, etc.), e a biomassa pode ser agitada/misturada no vaso de reação para facilitar a decomposição da biomassa. De acordo com as modalidades ilustrativas, um ácido, tal como o ácido sulfúrico, o ácido clorídrico, o ácido nítrico, o ácido fosfórico, o ácido acético, etc. (ou uma formulação/mistura de ácidos), pode ser aplicado à biomassa. De acordo com uma modalidade particular, o ácido sulfúrico será aplicado à biomassa no pré-tratamento. O componente líquido (corrente de C5) compreende água, açúcares dissolvidos (tais como a xilose, a arabinose e a glicose) a serem tornados disponíveis para a fermentação em etanol, ácidos, e outros componentes adequados, recuperados da hemicelulose. (A TABELA 2B proporciona as faixas típicas e esperadas, acreditadas serem representativas da composição de biomassa compreendendo material lignocelulósico a partir da planta de milho.) De acordo com uma modalidade ilustrativa, o componente líquido pode compreender aproximadamente 5 até aproximadamente 7 por cento de sólidos (p.ex., sólidos suspensos/residuais, tais como a hemicelulose parcialmente hidrolisada, a celulose e a lignina). De acordo com uma modalidade particular, o componente líquido compreenderá pelo menos cerca de 2 a cerca de 4 por cento de xilose (em peso); de acordo com outras modalidades ilustrativas, o componente líquido compreenderá não menos do que aproximadamente 1 a aproximadamente 2 por cento de xilose (em peso). As TABELAS 2A e 2B listam a composição do componente líquido da biomassa pré-tratada (a partir da biomassa preparada, como indicado nas TABELAS 1A e 1B) de acordo com as modalidades ilustrativas e representativas. O componente sólido (corrente de C6) compreende água, ácidos, e sólidos, tais como a celulose, a partir da qual o açúcar, tal como a glicose, pode ser tornado disponível para a fermentação até etanol, e lignina. (A TABELA 3B proporciona faixas típicas e esperadas, acreditadas serem representativas da composição de biomassa compreendendo material lignocelulósico a partir da planta de milho.) De acordo com uma modalidade ilustrativa, o componente sólido pode compreender aproximadamente 10 a aproximadamente 40 por cento de sólidos (em peso) (após a separação); de acordo com uma modalidade particular, o componente sólido compreenderá aproximadamente 20 a cerca de 30 por cento de sólidos (em peso). De acordo com uma modalidade, os sólidos no componente sólido compreendem não menos do que cerca de 30 por cento de celulose e o componente sólido pode também compreender outros açúcares dissolvidos (p.ex., a glicose e a xilose). As TABELAS 3A e 3B listam a composição do componente sólido da biomassa pré-tratada (a partir da biomassa preparada, conforme indicado nas TABELAS 1A e 1B) de acordo com as modalidades ilustrativas e representativas.

Durante o pré-tratamento, o rigor das condições de operação (tais como pH, temperatura, e tempo) pode causar a formação de componentes que são inibitórios para a fermentação. Por exemplo, sob algumas condições, a desidratação de açúcares (tais como a xilose ou a arabinose) pode causar a formação de furfural. O ácido acético pode também ser formado, por exemplo, quando o acetato for liberado durante a decomposição da hemicelulose, no pré-tratamento. O ácido sulfúrico, que pode ser adicionado à biomassa preparada para facilitar o pré-tratamento, se não removido ou neutralizado, pode também ser inibitório para a fermentação. De acordo com uma modalidade ilustrativa, por ajuste das condições de pré-tratamento (tais como pH, temperatura, e tempo), a formação de inibidores pode ser reduzida ou controlada; de acordo com outras modalidades ilustrativas, os componentes da biomassa pré-tratada podem receber tratamento adicional para remover ou reduzir o nível de inibidores (ou outra matéria indesejável).

Com referência às FIGURAS 7A e 7B, mostra-se um sistema de tratamento 702 e um sistema de fermentação 704 para o componente líquido 706 (corrente de C5 ou hidroli-sado) da biomassa pré-tratada. Conforme mostrado na FIGURA 7B, de acordo com uma modalidade ilustrativa, o sistema de tratamento 702 pode compreender a filtração (sistema de filtração 708) da corrente de C5 para remover os inibidores (tais como o furfural e o ácido acético) e a concentração 710 da corrente de C5 para facilitar a fermentação eficiente dos açúcares (p.ex., a xilose e a glicose). Um exemplo de um sistema de filtração que pode ser usado para tratar o componente líquido (C5) é um sistema de nanofiltração.

Conforme mostrado nas FIGURAS 8A e 8B, de acordo com uma modalidade ilustrativa, o sistema de fermentação 704 pode compreender a fermentação 802 da corrente de C5 pela aplicação de um produtor de etanol (p.ex., um organismo mostrado como células de leveduras) e agentes (tais como nutrientes) para o produtor de etanol produzir um produto de fermentação 804. Por exemplo, o produtor de etanol e os agentes podem ser combinados em um tanque de levedura 806 e a fermentação pode ser conduzida em um tanque de fermentação 808. Adicionalmente a este exemplo, o componente líquido (produto de fermentação 804) é produzido através da separação 810.

De acordo com uma modalidade ilustrativa, o produto de fermentação é produzido no sistema de fermentação 704 por aplicação do produtor de etanol para converter os açúcares na corrente de C5 (hidrolisado da biomassa pré-tratada) em etanol. De acordo com algumas modalidades, o produtor de etanol para o sistema de fermentação pode compreender um organismo (p.ex., a levedura) selecionado para a fermentação eficiente da xilose e da glicose que está presente na corrente de C5. De acordo com uma modalidade particular, o produtor de etanol para a corrente de C5 pode ser um organismo geneticamente modificado, conforme descrito na Patente U.S. No. 7.622.284, intitulada "Transformed eukaryotic cells that directly convert xylose to xylulose", e cedida para Royal Nedalco B.V. De acordo com uma modalidade alternativa, o produtor de etanol pode compreender uma formulação ou combinação de organismos (p.ex., um tipo de levedura selecionada para a fermentação dos açúcares de C5, tais como a xilose, e um tipo de levedura selecionada para a fermentação dos açúcares de C6, tais como a glicose). De acordo com as modalidades ilustrativas, a quantidade ou a carga (dose) de produtor de etanol (p.ex., células de levedura) pode ser variada na operação do sistema de fermentação. Os agentes fornecidos com o produtor de etanol podem incluir os antibióticos, as enzimas suplementares ou acessórios, a ureia, os sais (tais como os sais de zinco ou magnésio), ou outros componentes que proporcionem benefício nutricional ou outro benefício para o organismo. De acordo com uma modalidade, o agente pode compreender a vinhaça fina a partir de uma instalação de produção de etanol (p.ex., à base de milho) convencional. De acordo com algumas modalidades, o agente pode compreender a vinhaça fina clarificada, a qual pode ser produzida a partir da vinhaça fina por remoção de substancialmente todos os sólidos e óleo contidos na vinhaça fina (p.ex., por centrifugação). A vinhaça fina clarificada compreende essencialmente água e componentes solúveis da vinhaça fina. A vinhaça fina clarificada pode também ser concentrada (p.ex., por evaporação) antes de seu uso como um agente na fermentação. De acordo com uma modalidade ilustrativa, a vinhaça fina clarificada pode ser fornecida ao vaso de fermentação em torno de 5 a cerca de 50 por cento do volume total da lama. De acordo com algumas modalidades, a vinhaça fina clarificada pode ser fornecida ao vaso de fermentação em torno de 15 a cerca de 40 por cento do volume total da lama.

Com referência à FIGURA 9, mostra-se uma aparelhagem 900 ilustrativa para a fermentação do componente líquido tratado (C5) 902. De acordo com uma modalidade ilustrativa, o sistema de fermentação compreende pelo menos um tanque de fermentação. De acordo com a modalidade ilustrativa mostrada na FIGURA 9, o sistema de fermentação compreende um conjunto de tanques (ilustrados como vasos de fermentação 904), nos quais a corrente de C5 tratada (p.ex., hidrolisado tratado a partir da biomassa pré-tratada, em uma lama) é fornecida, juntamente com o produtor de etanol e nutrientes (conforme necessários). Conforme mostrado nas FIGURAS 8B e 9, o produtor de etanol (mostrado como levedura) é fornecido a partir de um sistema de propagação de levedura 806 compreendendo (um) tan-que(s) (mantido(s) sob condições de operação adequadas para o crescimento de uma quantidade adequada de levedura/organismo a partir de semente ou fonte). A fermentação é conduzida sob condições de operação selecionadas para facilitar a conversão eficiente dos açúcares na corrente de C5/hidrolisado em etanol. As condições de operação para o sistema de fermentação compreendem tempo, temperatura, pH, sólidos, carga, e carga de produtor de etanol. O sistema de fermentação pode operar em um arranjo de batelada alimentada. A fermentação em batelada alimentada refere-se a um processo onde, em vez de fornecer todo o substrato para o vaso de fermentação no início da fermentação, o substrato é alimentado para o vaso de fermentação gradualmente, por toda a fermentação. Em alguns aspectos, fornece-se uma concentração inicial de substrato, e adiciona-se mais substrato nas bateladas ou continuamente após certa quantidade do substrato inicial ter sido convertida em um produto de fermentação pelo organismo fermentador. A fermentação em batelada alimentada pode ser usada para evitar a tensão osmótica e, consequentemente, a inibição do organismo fermentador pela alta concentração de substrato. Uma fermentação em batelada alimentada do hidrolisado de biomassa celulósica pode utilizar cargas de células relativamente altas do organismo fermentador para produzir bons resultados de fermentação.

Os açúcares fermentadores a partir da biomassa celulósica podem ser um desafio por causa da combinação de açúcares (p.ex., xilose, arabinose, e glicose) que está disponível para a fermentação, e por causa da presença de componentes inibitórios, tais como o furfural e o ácido acético. Os produtores de etanol comercialmente disponíveis (p.ex., as leveduras) podem ser otimizados para converter a glicose em etanol, e não converterem eficientemente outros açúcares (p.ex., a xilose e/ou a arabinose) em etanol. A fermentação de açúcares a partir da biomassa celulósica pode ser efetuada por cepas geneticamente modificadas de organismos de fermentação (p.ex., conforme descrito na Patente U.S. No. 7.622.284, intitulada "Transformed eukaryotic cells that directly convert xylose to xylulose", e cedida para Royal Nedalco B.V.), porém o uso de tais organismos nas fermentações com altas cargas de células, tais como uma fermentação em batelada alimentada dos açúcares de C5 (p.ex., a xilose e/ou a arabinose), pode ser economicamente desvantajoso.

De acordo com uma modalidade da divulgação exposta, o componente líquido (C5) pode ser fermentado em um arranjo de batelada alimentada com uma baixa carga de células de leveduras. Por exemplo, o vaso de fermentação pode ser inoculado com aproximadamente 0,1 a aproximadamente 2 gramas de levedura (peso seco) por litro de lama. De acordo com algumas modalidades, o vaso de fermentação é inoculado com cerca de 0,2 a cerca de 1,0 grama de levedura (peso seco) por litro de lama e, de acordo com uma modalidade particular, o vaso de fermentação é inoculado com cerca de 0,4 a cerca de 0,6 grama de levedura (peso seco) por litro de lama. A concentração inicial de xilose na lama pode estar em uma faixa de aproximadamente 1 a aproximadamente 9 por cento de xilose. De acordo com algumas modalidades, a concentração inicial de xilose na lama está em uma faixa de cerca de 3 a cerca de 7 por cento de xilose e, de acordo com uma modalidade particular, a concentração inicial de xilose na lama está em uma faixa de aproximadamente 4,0 a aproximadamente 5,5 por cento de xilose. A xilose adicional pode ser alimentada para o vaso de fermentação após cerca de 5 a cerca de 40 horas (ou após cerca de 24 a cerca de 36 horas, em algumas modalidades) de fermentação, em uma taxa de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 12 gramas por litro por hora. De acordo com algumas modalidades, a xilose adicional é alimentada em torno de 1 a cerca de 8 gramas por litro por hora e, de acordo com uma modalidade particular, a xilose adicional é alimentada em torno de 2 a cerca de 5 gramas por litro por hora. A quantidade total de xilose fornecida para o vaso de fermentação (calculada com base na xilose inicial e na xilose adicionada) pode estar em uma faixa de aproximadamente 40 até aproximadamente 180 gramas por litro de lama. De acordo com algumas modalidades, a quantidade total de xilose fornecida para o vaso de fermentação está em uma faixa de aproximadamente 80 a aproximadamente 160 gramas por litro de lama e, de acordo com uma modalidade particular, a quantidade total de xilose fornecida para o vaso de fermentação está em uma faixa de cerca de 110 a cerca de 140 gramas por litro de lama.

De acordo com uma modalidade, o pH da lama pode ser ajustado no início da fermentação para uma faixa de cerca de 4,5 a 6,5, ou para uma faixa de cerca de 5,0 a 6,0, ou, em algumas modalidades, para cerca de 5,5. A temperatura de fermentação pode ser mantida em uma faixa de aproximadamente 25 a 37 graus Celsius, ou em uma faixa de aproximadamente 30 a 33 graus Celsius, ou, em algumas modalidades, em torno de 31,5 a 32,5 graus Celsius. O tempo de fermentação total pode estar em uma faixa de cerca de 48 a 168 horas, ou em uma faixa de cerca de 72 a 144 horas, ou, em algumas modalidades, em uma faixa de aproximadamente 96 a 120 horas. Podem ser atingidos tempos de fermentação mais curtos otimizando-se adicionalmente as condições de fermentação.

De acordo com uma modalidade da divulgação exposta, mais do que 80 por cento do açúcar disponível (p.ex., a xilose) podem ser fermentados para etanol. Por exemplo, um rendimento de 83 por cento ou mais pode ser atingido. De acordo com uma modalidade ilustrativa, se a quantidade total de xilose adicionada à lama for 130 gramas por litro, o produto de fermentação resultante pode compreender 7,8 por cento em volume de etanol. Alternativamente, se 83 gramas de xilose por litro de lama forem adicionados, o produto de fermentação resultante pode compreender 5,0 por cento em volume de etanol. O produto de fermentação (que pode também ser referido como cerveja ou caldo de fermentação, ou como compreendendo cerveja ou caldo de fermentação) pode compreender etanol e água, bem como matéria não fermentada (p.ex., quaisquer açúcares não fermentados) e matéria não fermentável (p.ex., lignina residual e outros sólidos). O produto de fermentação pode também compreender, na forma de matéria particulada, o produtor de etanol (p.ex., as células de leveduras) que foi usado para produzir o etanol, bem como outros componentes produzidos pelo sistema de fermentação, por exemplo, tais como o glicerol (um produto de fermentação) e o ácido acético.

Conforme mostrado nas FIGURAS 2, 5A e 5B, o componente líquido (ou produto de fermentação tratado) a partir do sistema de tratamento pode ser fornecido ao sistema de destilação, para a destilação e a desidratação para permitir a recuperação de etanol.

Uma série de exemplos foi conduzida de acordo com uma modalidade ilustrativa do sistema (conforme mostrado nas FIGURAS 8A e 8B), em uma tentativa de determinar as condições de operação para a fermentação em batelada alimentada do componente líquido (C5). O componente líquido (C5) foi preparado por pré-tratamento de espigas de milho moídas a 120 graus Celsius, por 2 horas, em uma solução de ácido sulfúrico a 1 por cento (p/p) e por centrifugação e filtração para remover quaisquer sólidos restantes. O componente líquido pré-tratado (C5) foi tratado por nanofiltração para remover os componentes inibitórios e para concentrar os açúcares (p.ex., a xilose) até cerca de 9 por cento (p/v). O produtor de etanol usado nos exemplos era uma cepa de levedura Saccharomyces cerevisiae alterada para converter a xilose e a glicose em etanol (uma levedura geneticamente modificada, derivada de um organismo como descrito na Patente U.S. No. 7.622.284, pela Royal Nedalco B.V., por exemplo, a cepa No. RN1016). O componente líquido tratado foi fornecido aos vasos de fermentação para resultar em uma concentração inicial de xilose de cerca de 4,9 por cento (peso por volume). A vinhaça fina de um processo de fermentação de milho sem cozimento foi clarificada por remoção dos sólidos para produzir a vinhaça fina clarificada. A vinhaça fina clarificada foi adicionada aos vasos de fermentação, em torno de 36 por cento do volume da lama, para proporcionar nutrientes para a levedura. A ureia foi também adicionada em uma concentração de 0,24 grama por litro de lama. Os vasos de fermentação foram inoculados com aproximadamente 0,5 grama de levedura (peso seco) por litro de pasta, e o pH inicial da lama foi ajustado para 5,5. As fermentações foram realizadas a 32 graus Celsius, e a lama foi agitada continuamente durante a fermentação. O dado dos exemplos é mostrado nas TABELAS 4 até 6.

Exemplo 1 O sistema de fermentação foi usado no Exemplo 1 para determinar as condições de operação adequadas para a fermentação em batelada alimentada do componente líquido (C5). Após 30 horas de fermentação, xilose adicional foi alimentada ao vaso de fermentação, na forma de componente líquido tratado (C5), em uma taxa de cerca de 3,0 gramas de xilose por litro de lama por hora, por cerca de 65 horas. A fermentação foi realizada por um total de 120 horas, e as amostras da lama foram testadas quanto à concentração de xilose e etanol periodicamente. A quantidade total de xilose fornecida ao vaso de fermentação, calculada a partir da xilose inicial e da xilose adicionada, foi 13,8 por cento (p/v). Observou-se que uma concentração de etanol de 8,3 por cento (v/v) e um rendimento final de 84 por cento de rendimento teórico puderam ser obtidos. Também se observou que um rendimento de fermentação aperfeiçoado, em comparação com os métodos anteriormente conhecidos, pôde ser obtido usando as condições de fermentação descritas. Os resultados do Exemplo 1 são mostrados nas FIGURAS 10A e 10B e na TABELA 4.

Exemplo 2 O sistema de fermentação foi usado no Exemplo 2 para determinar as condições de operação adequadas para a fermentação em batelada alimentada do componente líquido (C5). Após 24 horas de fermentação, xilose adicional foi alimentada ao vaso de fermentação, na forma de componente líquido tratado (C5), em uma taxa de cerca de 2,4 gramas de xilose por litro de lama por hora, por cerca de 72 horas. A fermentação foi realizada por um total de 120 horas, e as amostras da lama foram testadas quanto à concentração de xilose e etanol periodicamente. A quantidade total de xilose fornecida ao vaso de fermentação, calculada a partir da xilose inicial e da xilose adicionada, foi 13,3 por cento (p/v). Observou-se que uma concentração de etanol de 8,0 por cento (v/v) e um rendimento final de 83 por cento de rendimento teórico puderam ser obtidos. Também se observou que um rendimento de fermentação aperfeiçoado, em comparação com os métodos anteriormente conhecidos, pôde ser obtido usando as condições de fermentação descritas. Os resultados do Exemplo 2 são mostrados nas FIGURAS 11A e 11B e na TABELA 5.

Exemplo 3 O sistema de fermentação foi usado no Exemplo 3 para determinar as condições de operação adequadas para a fermentação em batelada alimentada do componente líquido (C5). Após 24 horas de fermentação, xilose adicional foi alimentada ao vaso de fermentação, na forma de componente líquido tratado (C5), em uma taxa de cerca de 3,68 gramas de xilose por litro de lama por hora, por cerca de 52 horas. A fermentação foi realizada por um total de 120 horas, e as amostras do caldo de fermentação foram testadas quanto à concentração de xilose e etanol periodicamente. A quantidade total de xilose fornecida ao vaso de fermentação, calculada a partir da xilose inicial e da xilose adicionada, foi 13,9 por cento (p/v). Observou-se que uma concentração de etanol de 8,4 por cento (v/v) e um rendimento final de 83 por cento de rendimento teórico puderam ser obtidos. Também se observou que um rendimento de fermentação aperfeiçoado, em comparação com os métodos anteriormente conhecidos, pôde ser obtido usando as condições de fermentação descritas. Os resultados do Exemplo 3 são mostrados nas FIGURAS 12A e 12B e na TABELA 6.

REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Método para produção de um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa compreendendo material lignocelulósico que foi pré-tratado e separado em um componente líquido e um componente sólido, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: preparar uma lama compreendendo: fornecer o componente líquido compreendendo pentose ao sistema de fermentação, em que a pentose compreende xilose; fornecer um produtor de etanol ao sistema de fermentação, em que o produtor de etanol é capaz de fermentar xilose em etanol, em que ainda o produtor de etanol é fornecido ao sistema de fermentação em uma concentração menor do que 2 gramas de produtor de etanol em uma base seca por litro de lama; ajustar o pH da lama a uma faixa de 4,5 a 6,5; manter o componente líquido e o produtor de etanol no sistema de fermentação a uma temperatura entre 25 e 37 °C; fornecer uma quantidade adicional do componente líquido à lama, em que o componente líquido compreende xilose e em que o fornecimento da quantidade adicional do componente líquido começa em pelo menos 5 horas, mas não mais do que 40 horas, após o fornecimento de produtor de etanol à lama; e recuperar o produto de fermentação do sistema de fermentação.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a concentração inicial de xilose na lama é de 1 a 9% em peso.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o fornecimento da quantidade adicional do componente líquido é a uma taxa de 0,5 a 12 gramas de xilose adicionada por litro de lama por hora.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade total de xilose adicionada à lama está entre 40 a 180 gramas por litro de lama.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o fornecimento de um agente à lama, em que o agente compreender vinhaça fina.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda fornecer um agente à lama, em que agente compreende vinhaça fina clarificada compreendendo 5 a 50% do volume da lama.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa compreende hemicelulose e o produto de fermentação foi produzido por fermentação da xilose e em que o componente líquido compreende xilose e glicose e o produtor de etanol compreende um organismo capaz de fermentar xilose em etanol e glicose em etanol.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa compreende hemicelulose e o produto de fermentação foi produzido por fermentação da xilose e em que o produtor de etanol é uma levedura e o produtor de etanol compreende Saccharomyces cerevisiae.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o produto de fermentação compreende etanol, e em que pelo menos 75% da xilose foi convertido em etanol por fermentação.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda: tratar o componente líquido para reduzir inibidores ou para aumentar a concentração de xilose.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a manutenção compreende manter o componente líquido e o produtor de etanol no sistema de fermentação por um tempo de não menos do que 48 horas.

12. Método para produção de um produto de fermentação em um sistema de fermentação a partir de biomassa lignocelulósica que foi pré-tratada e separada em um componente líquido e um componente sólido, CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende: preparar uma lama compreendendo: fornecer o componente líquido ao sistema de fermentação; fornecer um produtor de etanol ao sistema de fermentação em uma concentração menor do que 2 gramas de produtor de etanol em uma base seca por litro de lama, em que o produtor de etanol é capaz de fermentar xilose em etanol; ajustar o pH da lama a uma faixa de 4,5 a 6,5; manter o componente líquido e o produtor de etanol no sistema de fermentação a uma temperatura entre 25 a 37 °C por uma duração de pelo menos 48 horas; fornecer uma quantidade adicional do componente líquido à lama, em que o componente líquido compreende xilose e em que o fornecimento da quantidade adicional do componente líquido começa em pelo menos 5 horas, mas não mais do que 40 horas, após fornecer o produtor de etanol à lama, em que a quantidade adicional do componente líquido é fornecida à lama a uma taxa de 2 a 5 gramas de xilose adicionada por litro de lama por hora, e em que a quantidade total de xilose adicionada à lama está entre 110 a 140 gramas por litro de lama; recuperar o produto de fermentação do sistema de fermentação, em que o produto de fermentação compreende etanol, e em que pelo menos 75% da xilose foi convertida em etanol pela fermentação; e em que a biomassa lignocelulósica consiste essencialmente em espigas de milho, cascas de planta de milho, folhas de planta de milho e talos de plantas de milho.