BR112013004875B1

BR112013004875B1 - Processos para hidrólise enzimática de celulose

Info

Publication number: BR112013004875B1
Application number: BR112013004875-1A
Authority: BR
Inventors: Peter J.E. Harlick; Wei Zheng
Original assignee: Iogen Energy Corporation
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2021-04-06
Also published as: DE112011102846T5; US20140242684A1; US8709770B2; US20120052534A1; WO2012027843A1; CN103210090A; CN103210090B; BR112013004875A2; US10738273B2; CA2808666A1; CA2808666C

Abstract

processo para melhor a hidrólise de celulose em sistemas de alta consistência é fornecido um processo para a hidrólise enzimática de celulose para produzir glucose a partir de uma matéria-prima celulósica pré-tratada. o processo compreende o fornecimento de uma lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada que possui um teor de água que é menos do que cerca de 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada. a lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada é alimentada a um ou mais reatores de hidrólise não mistura e neles hidrolisada com enzimas de celulose. no reator de hidrólise não misturada (ou reatores), as enzimas celulase hidrolisam uma porção da celulose para produzir açúcares solúveis produzindo, dessa forma, uma mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada. a hidrólise da celulose em glicose continua por alimentação da mistura de celulose parcialmente hidrolisada a um ou mais reatores de hidrólise misturada. também são fornecidos sistemas para realização da hidrólise enzimática citada anteriormente.

Description

PROCESSOS PARA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE CELULOSE

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

A presente invenção está relacionada a um método aprimorado para produção de açúcar fermentável a partir de uma matéria-prima celulósica.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Muita atenção e esforço têm sido aplicados nos últimos anos à produção de combustíveis e substâncias químicas, primariamente etanol, a partir de matérias-primas celulósicas como, por exemplo, resíduos agrícolas e resíduos florestais, em função de seu baixo custo e ampla disponibilidade. Esses resíduos agrícolas e florestais são tipicamente queimados e descartados em aterros sanitários; dessa forma, a utilização dessas matérias-primas celulósicas para produção de etanol apresenta uma alternativa atrativa ao descarte.

A primeira etapa de processamento químico para conversão de matéria-prima celulósica em etanol ou em outros produtos de fermentação normalmente envolve pré-tratamento da matéria-prima. A finalidade desse pré-tratamento é aumentar a área de superfície de celulose, com conversão limitada da celulose em glicose. O pré-tratamento da matéria-prima pode ser obtido usando um pré-tratamento ácido realizado sob condições que hidrolisam o componente de hemicelulose da matéria-prima, seguido por hidrólise enzimática da celulose que permanece na matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase. A hidrólise enzimática é tipicamente efetuada em um ou mais reatores de batelada misturados diluída sob pH, temperatura e condições de mieturação controlados.

As enzimas celulase utilizadas para hidrolisar a celulose em glicose incluem uma mistura de enzimas, que inclui exo-celobiohidrolases (CBH), endoglucanases (EG) e betá-glicosidases. As enzimas CBH e EG catalisam a hidrólise da celulose (ligações β-l,4-D-glicano). As enzimas CBH, CBHI e CBHII (também denominadas Ce.17 e Ce 16 de acordo com designações da família da glicosldeo hidrolase), atuam nas extremidades dos polímeros de glicose em microfibrilas de celulose e liberam celobiose, enquanto as enzimas EG (que incluem EGI, EGIX, EGXII e EGV, também conhecidas como Cel7, Cel5, Cell2 e Cel45, respectívamente) atuam em localizações aleatórias na celulose. Juntas, as enzimas celulase hidrolisam celulose em celobiose, que, por sua vez, é hidrolisada em glicose por beta-glicosidase (beta-G).

Além de CBH, EG e beta-glicosidase, há várias enzimas acessórias que auxiliam na digestão enzimática de celulose (veja WO 2009/026722 de co-propriedade (Scott), que é aqui incorporado por referência, e Harris e cols., 2010, Biochemistry, 49: 3.305-3.316). Estas incluem EGIV, também conhecida como Cel61, swolenina, expansina, lucinen e proteína induzida por celulose (Cip). A glicose pode ser convertida enzimaticamente nos dímeros gentiobiose, soforose, laminaribiose e outros por beta-glicosidase por meio de reações de transglicosilação.

Em reatores de hidrólise convencionais, a misturação ê fornecida por misturadores mecânicos como, por exemplo, impulsores, agitadores ou ejetores de montagem superior, de montagem lateral ou de montagem inferior,- movimento rápido de jatos bombeados de lama líquida para dentro ou através do vaso; e/ou introdução ou geração de gases ou vapores no vaso. Além disso, são conhecidos reatores que empregam misturação periódica à medida que a lama passa através de zonas de misturação ao longo do comprimento do reator (veja a Patente U.S. N° 5.733.758 (Nguyen) discutida abaixo).

A fermentação para produzir etanol a partir da glicose é tipicamente realizada com uma cepa de Saccharomyces spp. A recuperação do etanol é obtida por destilação e o etanol é ainda concentrado por peneiras moleculares.

A adição de água à matéria-prima entrante para formar uma lama facilita o transporte e manipulação mecânica da matéria-prima celulósica. A lama consiste em pedaços ou partículas de matéria-prima celulósica em água. Tipicamente, a massa de água presente é pelo menos 5 a 25 vezes a massa de sólidos da matéria-prima presente para que ela flua uniformemente.

No entanto, o processamento de lamas contendo esse teor de água elevado possui certas desvantagens em operações em instalações de produção. Por exemplo, durante pré-tratamento ácido, o teor de água elevado na lama entrante exige uma grande quantidade de vapor para o aquecimento, bem como de ácido. Além disso, grandes volumes de água na lama resultam em aumentos no tamanho do equipamento, o que, por sua vez, aumenta os custos de capital.

WO 2010/022511 (Anand e cols,) revela um processo que envolve a remoção de uma quantidade significante de água de Uma lama da matéria-prima celulósica por uma prensa de parafuso pressurizada antes de seu aquecimento por vapor em um reator de pré-tratamento. Vantajosamente, em função do alto teor de sólidos obtido por compressão, menos liquido precisa ser aquecido reduzindo, dessa forma, a quantidade de vapor necessária durante o pré-tratamento subsequente. Além disso, uma lama concentrada também pode reduzir a quantidade de ácido ou álcali que é necessária para catalisar a hidrólise da matéria-prima.

No entanto, apesar das vantagens citadas anteriormente com lamas com alto teor de sólidos, süa manipulação após o pré-tratamento pode apresentar problemas, Por exemplo, a fim de que reatores agitados convencionais misturem a lama altamente viscosa efetivamente durante hidrólise enzimática, é necessária uma entrada de energia muito grande. Além disso, são necessárias bombas especializadas para sólidos de consistência elevada para conduzir a lama Com alto teor de sólidos através do sistema. Essas exigências aumentam significativamente os custos de capital e operacionais do processo de hidrólise.

Foram devotados muitos esforços para o desenvolvimento de um reator de hidrólise, mas eles se concentraram primariamente em sistemas diluídos, WO 2005/063467 (Foody e cols.) revela o uso de um reator de hidrólise de fluxo ascendente não misturada para a hidrólise enzimática de uma matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase. A hidrólise é realizada de tal forma que a velocidade ascendente da lama seja lenta e as partículas sólidas, que são mais densas do que a massa da lama, tendam a fluir para cima mais lentame.nt.e do que o licor. O fluxo ascendente lento das partículas sólidas que contêm celulose retém os sólidos contendo celulose e as enzimas celulase ligadas no reator por um tempo mais longo do que as líquidas aumentando, dessa forma, a conversão da celulose em glicose.

A Patente U.S. N° 5.258.293 (Lynd) revela um método no qual matéria-prima lignocelulósica e microorganismos são introduzidos continuamente em um vaso de reação. Fluido também é adicionado continuamente do fundo do vaso de reação, mas não ocorre nenhuma agitação mecânica da lama. Ã medida que a reação progride, a matéria-prima lignocelulósica que está sendo digerida tende a se acumular em uma camada espacialmente não homogênea, enquanto o produto de etanol sobe até uma camada superior, de onde é removido. O substrato insolúvel se acumula em uma camada inferior e pode ser retirado do vaso. Esse arranjo resulta em uma retenção diferencial do substrato em fermentação, o que permite um tempo de residência aumentado no vaso do reator.

Em outra abordagem, revelada na Patente U.S. K” 5.837.505 (Lynd), etanol é produzido usando um biorreator intermitentemente agitado, perpetuamente alimentado. A lama lignocelulósica e os microorganismos são adicionados a um reator; a mistura ê então agitada, por meio mecânico ou por recirculação de fluido, por um intervalo de tempo específico, após o qual é permitida Sua deposição. O etanol é então removido de uma porção superior do reator, mais substrato é adicionado, e o ciclo continua.

Em um método similar, Kleijntjens e col.s. (1986, Biotechnology Letters, 8: 667-672) utilizam um reator de fluxo ascendente para fermentar substrato contendo celulose na presença de C. thermocellum. A lama de substrato se deposita para formar um leito de fibras agregadas, que é acelerado por agitação mecânica lenta, O substrato é adicionado periodicamente, enquanto o líquido é continüamente alimentado no reator. 0 produto de etanol se acumula em uma camada superior, de onde é removido do reator.

No entanto, os métodos descritos nas Patentes U.S. Nos 5.258,293 e 5.837.506 e Kleijntjens e cols. [supra) podem não ser adequados para sistemas concentrados.

WQ 2009/045651 (Hennessey e cols,) revela um processo para sacarificação de biomassa pré-tratada em um peso seco elevado para produzir açúcares fermentáveis. O processo dessa invenção usa um sistema de reator em batelada alimentada que inclui múltiplas etapas de redução de tamanho e misturação meticulosa em um tanque vertical agitado-padrão. A biomassa é introduzida no tanque vertical do reator equipado com um sistema agitador aéreo como, por exemplo, um motor e eixo com um ou mais impulsores.

US 2009/0098616 (Burke e cols.) revela um processo no qual um jato particulado fino de matéria-prima é submetido a um processo de hidrólise enzimãtica em dois estágios. O processo em dois estágios permite uma redução na viscosidade da matéria-prima no primeiro estágio e a produção de um processo jato que é rico em açúcares fermentáveis no segundo estágio. A realizada da viscosidade redução é em vasos de reação agitados e se acredita que ocorra pela hidrólise de xilano em oligômêros solúveis.

A Patente U.S. N° 5.733.758 (Nguyen) revela uma abordagem que utiliza um reator de hidrólise em torre que compreende zonas misturadas e não misturadas alternantes. A carga de sólidos da lama introduzida para a hidrólise é maior do que 10% do peso. A lama é movida para cima em fluxo tubular através do reator e é intermitentemente misturada nas zonas de misturação evitando, dessa forma, canalização de líquido e assegurando aquecimento e transferência de massa uniformes. Como aqui apresentado, a misturação inicial frequente e elevada no começo da hidrólise, quando a viscosidade da lama é alta, é necessária para obter uma taxa de hidrólise tão elevada quanto a que pode ser obtida por misturação continua.

A Patente U.S. N" 7.598.069 (Felby) revela um método para a hidrólise de biomassas que contêm polissacarídeos que possuem um teor de matéria seca final acima de 20% que envolve a mistura por uma misturação do tipo queda livre que fornece degradação mecânica da biomassa durante a hidrólise. 0 misturador pode ser um misturador de tambor, um misturador com üm eixo giratório que eleva a biomassa ou um dispositivo de misturação similar que utiliza o princípio de queda livre. Esses misturadores são tipicamente muito grandes e á necessária energia significativa para girar o vaso.

Apesar dos esforços, hã necessidade de processos mais eficientes e de custo compensador para hidrolisar enzimaticamente a celulose em sistemas concentrados para obter açúcar fermentável. Em particular, há necessidade na técnica de reduzir ainda mais os custos de capital e operacionais associados a esses processos de modo a torná-los comercialmente viáveis.

SUMARIO DA INVENÇÃO

A presente invenção supera várias desvantagens da técnica estabelecida ao considerar as dificuldades encontradas em etapas realizadas durante o processamento de matéria-prima celulósica para obter açúcar fermentável.

É um objetivo da invenção fornecer um método aprimorado para produção de açúcar fermentável a partir de uma matéria-prima celulósica.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecido um processo para a hidrólise enzimãtica de celulose para produzir glicose a partir de uma matéria-prima celulósica pré-tratada, o processo compreendendo: (i) o fornecimento de uma lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada, cuja lama aquosa possui um teor de água que é menos do que cerca de 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada: (ii) introdução da lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada em um reator de hidrólise não misturada; (iii) adição de enzimas celulase à lama aquosa antes da etapa de introdução (etapa ii), durante a etapa de introdução (etapa ii) ou ao reator de hidrólise não misturada, ou uma combinação destes, em que, no reator de hidrólise não misturada, as enzimas celulase hidrolisam uma porção da celulose para produzir açúcares solúveis produzindo, dessa forma, uma mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada; (iv) continuação da hidrólise da celulose em glicose por alimentação da mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada em um reator de hidrólise misturada que efetua misturação da mistura ou um sistema de hidrólise que compreende reatores de hidrólise misturada que efetua a misturação da mistura; e (v) retirada de um jato que compreende glicose e celulose não reagida do reator de hidrólise misturada ou do sistema de hidrólise da etapa (iv),

De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido um processo para a hidrólise enzimática de celulose para produzir glicose a partir de uma matéria-prima celulósica pré-tratada, o processo compreendendo: (i) o fornecimento de uma lamâ aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada, cuja lama aquosa possui um teor de água que é menos do que cerca de 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada; (ii) introdução da lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada em um sistema de reatores de hidrólise não misturada; (iii) adição de enzimas celulase à lama aquosa antes da etapa de introdução (etapa ii) , durante a etapa de introdução (etapa ii) , ou a um ou mais reatores de hidrólise não misturada no sistema, ou uma combinação destes, em que as enzimas celulase hidrolisam uma porção da celulose para produzir açúcares solúveis no sistema de reatores de hidrólise não misturada produzindo, dessa forma, uma mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada; (iv) continuação da hidrólise da celulose em glicose por alimentação da mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada a ura ou mais reatores de hidrólise que efetuam a misturação da mistura; e (ví retirada de um jato que compreende glicose e celulose não reagida dos (um ou mais) reatores de hidrólise da etapa (iv).

De acordo com uma modalidade de qualquer ura dos aspectos da invenção citados anteriormente, o teor de água da lama aquosa está entre cerca de 40% e cerca de 140%, ou entre cerca de 60% e cerca de 120% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada.

De acordo com uma modalidade adicional da invenção, a porção da celulose hidrolisada no reator não misturado é entre cerca de 10% do peso e cerca de 70% do peso, ou entre cerca de 15% do peso e cerca de 40% do peso. Ainda em outras modalidades adicionais da invenção, a porção da celulose hidrolisada no reator não misturado é entre cerca de 25% do peso e cerca de 70% do peso, ou entre cerca de 35% do peso e cerca de 70% do peso. Os açúcares solúveis na mistura de celulose parcialmente hidrolisada após a hidrólise não misturada compreendem glicose, celobiose, gentiobiose, glicose oligômeros, ou uma combinação destes.

De preferência, a enzima celulase contém beta-glícosidase.

O reator de hidrólise não misturada pode ser um reator em batelada, em batelada alimentada ou contínuo com uma proporção de altura/diâmetro de cerca de 0,2,-1,0 até cerca de 5,0:1,0.

De acordo com um terceiro aspecto, a presente invenção fornece um sistema para a hidrólise de celulose em glicose, o sistema compreendendo: (i) um ou mais reatores de hidrólise não misturada para receber e hidròlisar parcialmente uma lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase de modo a produzir uma mistura de celulose parcialmente hidrolisada; e (ii) um ou mais reatores de hidrólise misturada posteriores para continuação da hidrólise da mistura da celulose parcialmente hidroiisada em glicose.

De acordo com um quarto aspecto da invenção, é fornecido um sistema para a hidrólise de uma lama da matéria-prima celulósica para produzir glicose, o sistema compreendendo; (i) um dispositivo de dessecação para recepção e dessecação da lama da matéria-prima celulósica; (ii) um reator de pré-tratamento anteriores ou posteriores ao dispositivo de dessecação para recepção e pré-tratamento da lama da matéria-prima celulósica para produzir uma matéria-prima celulósica pré-tratada; (iii) um ou mais reatores de hidrólise não. misturada para receber e hidrolisar parcialmente a matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase de modo a produzir uma mistura de celulose parcialmente hidroiisada; e (iv) um ou mais reatores de hidrólise misturada posteriores aos reatores de hidrólise não misturada para continuação da hidrólise da mistura da celulose parcialmente hidroiisada para produzir glicose.

De acordo com uma modalidade da invenção, o reator de hidrólise não misturada no sistema é um reator de fluxo tubular.

A presente invenção pode fornecer numerosos benefícios em relação aos processos convencionais para conversão de lamas celulósicas concentradas em açúcar fermentável usando enzimas celulase. Por redução da viscosidade de uma matéria-prima celulósica pré-tratada em um reator de hidrólise não misturada (ou reatores), a entrada de energia associada à misturação nos reatores misturados posteriores pode ser significativamente reduzida. Além disso, o uso de bombas especializadas para sólidos de consistência elevada para conduzir a lama com alto teor de sólidos através do sistema pode sex' minimizado.

A redução dos custos de capital e operacionais associados à manipulação de lamas concentradas altamente viscosas durante hidrólise enzímãtica poderia ser um passo significativo com relação à comercialização da produção de açúcar fermentável a partir de matérias-primas celulósicas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIGURA 1 mostra diversas configurações de sistemas de hidrólise de celulose que compreendem reatores de hidrólise não misturada e misturada.
A FIGURA 2A mostra a conversão fracionada de celulose em função do tempo (hora) em uma hidrólise em batelada não misturada, seguida por hidrólise em batelada misturada (símbolos) e em uma hidrólise totalmente misturada em batelada (curva baseada em dados de uma hidrólise totalmente misturada). A hidrólise misturada foi iniciada após 4 horas de hidrólise não misturada, como revelado pelo diamante.
A FIGURA 2B mostra a conversão fracionada de celulose em função do tempo (hora) em uma hidrólise em batelada não misturada, seguida por hidrólise em batelada misturada (símbolos) e em uma hidrólise em batelada totalmente misturada (curva baseada em dados de uma hidrólise totalmente misturada) . A hidrólise misturada foi iniciada após 8 horas de hidrólise não misturada, como revelado pelo diamante. A FIGURA 2C mostra a conversão fracionada de celulose em função do tempo (hora) em uma hidrólise em batelada não misturada, seguida por hidrólise em batelada misturada (símbolos) e em uma hidrólise em batelada totalmente misturada (curva baseada em dados de uma hidrólise totalmente misturada) . A hidrólise misturada foi iniciada em 24 horas de hidrólise não misturada, como revelado pelo diamante.
A FIGURA 3 mostra a conversão de celulose (%) para uma hidrólise não misturada realizada em um reator de hidrólise não misturada (círculos preenchidos) e hidrólise misturada (linha) em função do tempo de coleta de amostra.
A FIGURA 4 mostra a potência de agitação relativa necessária para misturação plena em função da conversão de celulose para uma matéria-prima pré-tratada que possui 20% dé sólidos não dissolvidos (UDS) iniciais, que corresponde a um teor de água que é 93,2% da capacidade de retenção de água da matéria-prima pré-tratada, como determinado pelo procedimento aqui descrito.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição seguinte é de uma modalidade preferida apenas como exemplo e sem limitação para a combinação de características necessárias para que a realização da invenção ocorra. Os cabeçalhos fornecidos não têm a intenção de serem limitantes das várias modalidades da invenção. Termos como, por exemplo., "compreende", "que compreende", "compreendem", "inclui", "que inclui" e "incluem" não têm a intenção de serem limitantes. Além disso, o uso do singular inclui o plural, e "ou" significa "e/ou", a menos que estabelecido de forma diferente. A menos que aqui definido de forma diferente, todos os termos técnicos e científicos aqui usados possuem os significados comumente compreendidos por aqueles habilitados na técnica.

Processamento de matéria-prima antes do pré-tratamento

A matéria-prima para o processo é um material celulósico. O termo "matéria-prima celulósica", significa qualquer tipo de biomassa vegetal, por exemplo, sem limitação, plantios cultivados, por exemplo, sem limitação, gramíneas, por exemplo, sem limitação, gramíneás C4 , por exemplo, grama perene, esparto, azevém., miscanto, caniço-malhado, ou uma combinação destes, resíduos do processamento de açúcar, por exemplo, sem limitação, bagaço, por exemplo, bagaço de cana de açúcar, polpa de beterraba, ou uma combinação destes, resíduos agrícolas, por exemplo, sem limitação, forragem de soja, forragem de milho:, palha de arroz, palha de cana de açúcar, cascas de arroz, palha de cevada, espigas de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de aveia, cascas de aveia, fibra de milho, ou uma combinação destes, biomassa florestal, por exemplo, sem limitação, madeira de polpa de fibra reciclada, serragem, madeira dura, por exemplo, madeira de faia, madeira mole, ou uma combinação destes. Além disso, a matéria-prima celulósica pode compreender material celulósico residual ou materiais florestais residuais, por exemplo, sem limitação, papel de jornal, papelão e semelhantes. A matéria-prima celulósica pode compreender uma espécie de fibra ou, alternativamente, a matéria-prima celulósica pode compreender uma mistura de fibras que se originam de diferentes matérias-primas celulósicas. Além disso, a matéria-prima celulósica pode compreender matéria-prima celulósica fresca, matéria-prima celulósica parcialtnéftte seca, matéria-prima celulósica totalmente seca, ou uma combinação destas. Além disso, novas variedades de matéria-prima lignocelulósica podem ser produzidas a partir de qualquer uma daquelas espécies listadas acima por melhoramento vegetal ou por engenharia genética.

Matérias-primas celulósicas compreendem celulose em uma quantidade maior do que cerca de 2 0%, mais preferivelmente, maior do que cerca de 3 0%, mais preferivelmente, maior do que cerca de 40% (p/p)· Por exemplo, o material celulósico pode compreender de cerca de 20% até cerca de 50% (p/p) de celulose, ou uma quantidade nesse intervalo. Além disso, a matéria-prima celulósica compreende lignina em uma quantidade maior do que cerca de 10%, mais tipicamente, em uma quantidade maior do que cerca, de 15% (p/p). A matéria-prima celulósica também pode compreender pequenas quantidades de sacarose, frutose e amido.

Matérias-primas celulósicas que possuem tamanhos de partícula de menos do que cerca de 15,24 centímetros podem não precisar de redução de tamanho. Ou seja, essas matérias-primas podem, simplesmente ser misturadas em água e depois bombeadas aos estágios posteriores do processo, Para matérias-primas de tamanhos de partícula maiores, a matéria-prima celulósica é geralmente submetida à redução de tamanho por métodos que incluem, sem limitação, moagem, trituração, agitação, retalhamento, compressão/expansão, ou outros tipos de ação mecânica. A redução de tamanho por ação mecânica pode ser realizada por qualquer tipo de equipamento adaptado para essa finalidade, por exemplo, sem limitação, moinhos de martelo, trituradores tubulares, prensas de rolo, refinadores e hydrapulpers. De preferência, pelo menos 90% por volume das partículas produzidas pela redução de tamanho podem ter um comprimento menor do que entre cerca de 1,5 mm e cerca de 15,24 centímetros. O equipamento preferível para a redução do tamanho de partícula é um moinho de martelo, um refinador ou uma prensa de rolo, como revelado em WO 2006/026863, que é aqui incorporado por referência.

Antes, durante ou depois da redução de tamanho, a matéria-prima pode ser misturada com água, o que permite que a matéria-prima seja bombeada. A proporção desejada de peso de água para sólidos secos da matéria-prima celulósica na lama é determinada por fatores como, por exemplo, capacidade de bombeamento, necessidades de encanamento, e outras considerações práticas.

A concentração de sólidos da lama aquosa da matéria-prima celulósica é expressa como a concentração de sólidos não dissolvidos (UDS) . Antes do pré-tratamento, o UDS da lama da matéria-prima celulósica está tipicamente cerca de 3% até cerca de 30% ou cerca de 4% até cerca de 20%.

A proporção de peso de sólidos secos para lama aquosa é determinada pelo procedimento de UDS do Exemplo 1,

A fibra da matéria-prima pode ser embebida com água ou uma solução aquosa que compreende ácido. A embebição pode ser realizada por introdução da matéria-prima celulósica em um tanque onde ela é misturada com água quente em consistência relativamente baixa de sólidos. Geralmente, a matéria-prima celulósica será submetida à redução de tamanho antes de sua introdução no tanque onde a embebição ocorre. Além disso, a matéria-prima celulósica pode ser lixiviada, como descrito em WO 02/070753 (Griffin, que é aqui incorporado por referência).

Após geração de láma, lixiviação e/ou embebiçao, a matéria-prima celulósica pode subsequentemente ser dessecada por qualquer técnica adequada. Por exemplo, a dessecação pode ser efetuada por utilização de dispositivos que removem água sob pressão da lama aquosa da matéria-prima. Dispositivos de dessecação adequados ao uso na invenção incluem prensas de parafuso pressurizadas, tais como aquelas descritas em WO 2010/02251 1 (aqui incorporado por referência) e filtros pressurizados. O processo de dessecação opcionalmente inclui uma zona de pré-drenagem a fim de drenar água da lama da matéria-prima em pressão atmosférica ou maior. Essa lama da matéria-prima dessecada é então enviada para um ou mais dispositivos para dessecação da lama sob pressão. A água espremida da matéria-prima celulósica pela etapa de dessecação pode ser reutilizada no processo.

Pré-tratamento da matéria-prima celulósica

A matéria-prima celulósica é submetida ao pré-tratamento antes da hidrólise enzimãtíca com enzimas celulase. 0 pré-tratamento visa geralmenté liberar uma combinação suficiente de ação mecânica e química de modo ã romper a estrutura da fibra da matéria-prima celulósica e aumentar a área de superfície da matéria-prima para torná-la acessível às enzimas celulase. De preferência, o pré-tratamento é realizado de modo que um grau elevado de hidrólise da hemicelulose e somente uma pequena quantidade de conversão de celulose em glicose ocorram. A celulose é hidrolisada em glicose em uma etapa subsequente que usa enzimas celulase. Em um exemplo da invenção, ura ácido mineral diluído, em uma concentração de cerca de 0,02% (p/p) até cerca de 5% (p/p) , ou qualquer quantidade nesse intervalo, (medida como a percentagem do peso de ácido puro no peso total de matéria-prima seca mais solução aquosa) é usado para o pré-tratamento.

O ácido pode ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico ou ácido fosfórico. De preferência, o ácido ê ácido sulfúrico. A quantidade de ácido adicionada à matéria-prima celulósica pode variar, mas deve ser suficiente para obter uma concentração final de ácido de cerca de 0,02% até cerca de 2% p/p, ou uma quantidade nesse intervalo, 0 pH resultante da matéria-prima é cerca de pH 0,4 até pH de cerca de 3,5, ou qualquer faixa de pH nesse intervalo.

O pré-tratamento ácido é realizado preferivelmente em uma temperatura máxima de cerca de 160°C até cerca de 280°C. No entanto, na prática, haverá um retardo de tempo no processo de pré-tratamento antes que a matéria-prima alcance essa faixa de temperatura. As temperaturas acima correspondem àqueles valores alcançados após aplicação de calor suficiente para alcançar uma temperatura dentro dessa faixa. 0 tempo em que a matéria-prima é mantida nessa temperatura pode ser de cerca de 6 segundos até cerca de 3.600 segundos, ou cerca de 15 segundos até cerca de 750 segundos ou cerca de 30 segundos até cerca de 240 segundos.

O pré-tratamento é tipicamente realizado sob pressão. Por exemplo, a pressão durante o pré-tratamento pode estar entre cerca de 344,73 e cerca de 4.826,33 kPa ou entre cerca de 517,10 e cerca de 4.136,85 kPa., ou qualquer faixa de pressão nesse intervalo.

A matéria-prima pode ser aquecida com vapor durante ou antes do pré-tratamento. Sem limitação, um método para que isso: seja efetuado é a utilização de vapor de baixa pressão para aquecer parcialmente a matéria-prima, que é então bombeada até um trem de aquecimento de vários estágios. Outros meios podem ser empregados para aquecer ã matéria-prima, por exemplo, dispositivos de misturação disponíveis comercialmente projetados para a introdução de vapor e, opcionalmente, ácido, através de bocais de spray.

Um método de realização do pré-tratamento ácido da matéria-prima é a explosão de vapor usando as condições de processo descritas na Patente U.S. N° 4.461.648 (Foody, que é aqui incorporada por referência). Outro método de pré-tratamento da lama da matéria-prima envolve pré-tratamento continuo, o que significa que a matéria-prima celulósica é bombeada através de um reator continuamente. 0 pré-tratamento ácido contínuo é familiar àqueles habilitados ha técnica; veja, por exemplo, a Patente U.S. N” 5.536,325 (Brink); WO 2006/128304 (Foody e Tolar.) ; e Patente U.S. N° 4.237.226 (Grethlein), aqui incorporados por referência. Metodologias adicionais conhecidas na técnica podem ser usadas, como necessário, por exemplo, o processo revelado na Patente U.S. N° 4.556.430 (Converse e cola.; que é aqui incorporada por referência).

O pré - tratamento ácido produz uma composição que compreende uma matéria-prima pré-tratada com ácido. Açúcares produzidos pela hidrólise de hemicelulose durante o pré-tratamento estão geralmente presentes na composição e incluem xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação destes.

A fase aquosa da composição de matéria-prima pré-tratada também pode conter o ácido adicionado durante o pré-tratamento. Quando ácido sulfúrico é o ácido utilizado no pré-tratamento, a composição que compreende a matéria-prima pré-tratada contém adicionalmente sais de sulfato e/ou bissulfato.

A composição que compreende matéria-prima pré-tratada com ácido também compreenderá ácido acético produzido durante o pré-trátamento ácido. A concentração de ácido acético nesse jato pode estar entre 0,1 e 20 g/1. ácidos orgânicos adicionais podem ser liberados durante o pré-tratamento, incluindo ácido galacturônico, ácido fórmieo, ácido lático e ácido glicurônico. O pré-tratamento também pode produzir lígninâ e inibidores dissolvidos como, por exemplo, furfural e hidroximetil furfural (HMF). Consequentemente, a composição que compreende matéria-prima pré-tratada com ácido também pode conter esses componentes.

De acordo com uma modalidade exemplar da invenção, os componentes solúveis da composição de matéria-prima pré-tratada são separados dos sólidos. Essa separação pode ser realizada por lavagem da composição de matéria-prima pré-tratada com uma solução aquosa para produzir um jato de lavagem, e um jato de sólidos que compreende a matéria-prima pré-tratada não hidrolisada. Altemativamente, o componente solúvel é separado dos sólidos por submissão da composição de matéria-prima pré-tratada a uma separação de sólidos-líquido usando métodos conhecidos como, por exemplo, centrifugação, microfiltração, filtração em placa e armação, filtração de fluxo cruzado, filtração por pressão, filtração a vácuo, e semelhantes. Opcionalmente, uma etapa de lavagem pode ser incorporada na separação de sólidos-líquidos. Cs sólidos separados, que contêm celulose., podem então sér enviados para hidrólise enzimática cora enzimas celulase a fim de converter a celulose em glicose. A hidrólise enzimática de celulose com o uso de enzimas celulase será aqui descrita com mais detalhe posteriormente.

O componente solúvel separado da separação descrita acima, que inclui os açúcares liberados durante o pré-tratamento, o ácido do pré-tratamento e outros componentes solúveis, pode então ser fermentado usando um microorganismo capaz de fermentar os açúcares derivados do componente de hemicelulose da matéria-prima.

O pré-tratamento também pode ser realizado sob condições alcalinas. Exemplos de processos de pré-tratamento alcalino adequados incluem expansão de amorna com fibra (AFEX) ou pré-tratamento com amónia diluída.

De acordo com o processo AFEX, a biomassa celulósica é colocada em contato com amónia ou hidróxido de amónio, que é tipicamente concentrado, em um vaso de pressão. O contato é mantido por um tempo suficiente para permitir que a amónia ou o hidróxido de amónio intumesçam (ou seja, descristalizem) as fibras de celulose. A pressão é então rapidamente reduzida, o que permite que a amónia queime ou ferva e exploda a estrutura da fibra de celulose. A amónia queimada pode então ser recuperada de acordo com processos conhecidos. 0 processo AFEX pode ser executado era torno de 2 0°C até cerca de 150°C ou em torno de 20°C até cerca de 100°C e em todas as temperaturas nesse intervalo. A duração desse pré-tratamento pode ser de cerca de 1 minuto até cerca de 20 minutos, ou qualquer tempo nesse intervalo.

O pré-tratamento com amónia diluída utiliza mais soluções diluídas de amónia ou hidróxido de amónio do que AFEX. Um processo de pré-tratamento desse tipo pode ou não produzir algum monossacarídeo. O pré-tratamento com amónia diluída pode ser realizado em uma temperatura de cerca de 100 até cerca de 150°C ou em qualquer temperatura nesse intervalo. A duração para um pré-tratamento desse tipo pode ser de cerca de 1 minuto até cerca de 20 minutos, ou qualquer tempo nesse intervalo.

Após o pré-tratamento, a lama da matéria-prima pré-tratada é tipicamente resfriada antes da hidrólise enzimática para diminuí-la até uma temperatura na qual as enzimas celulase são ativas. Deve ser observado que o resfriamento da matéria-prima pode ocorrer em diversos estágios que utilizam queima, permuta de calor ou outros meios adequados. Em uma modalidade da invenção, ã matéria-prima pré-tratada é resfriada até temperaturas de cerca de 100°C e abaixo, antes da hidrólise enzimática.

Hidrólise enzimática não misturada

A lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada é alimentada em um reator de hidrólise não misturada ou em um sistema de reatores de hidrólise não misturada para produzir uma mistura de celulose parcialmente hidrolisada, que é subsequentemente alimentada em um ou mais reatores de hidrólise que hidrolisam a matéria-prima com misturação, com aqui descrito posteriormente. No reator ou sistema de reator não misturada, a hidrólise enzimática da celulose reduz a viscosidade da matéria-prima celulósica pré-tratada. Vantajosamente, reduzindo-se a viscosidade da matéria-prima pré-tratada por hidrólise enzimática, as necessidades de energia associadas à misturação são reduzidas durante a hidrólise da mistura de celulose parcialmente hidrolisada no reator (reatores) de hidrólise misturada subsequente.

As exigências de viscosidade dependem das características do fluido que está sendo medido. A lama pré-tratada exibe características que podem ser definidas como de natureza não newtoniana, o que significa que a viscosidade da lama não é constante e é uma função da energia nela transmitida. A energia transmitida na lama pode ser interpretada como a taxa de císalhamento local .

Dessa forma, a medição quantitativa da viscosidade da matéria-prima pré-tratada deve se referir à taxa de císalhamento na qual a viscosidade foi medida. Por exemplo, em taxas de císalhamento baixas, lamas pré-tratadas exibem viscosidades maiores do que aquelas determinadas em taxas de císalhamento elevadas.

Pára os objetivos desse relatório descritivo, o termo “viscosidade" é usado no sentido qualitativo para denotar lamas espessas ou finas,

O termo "reator de hidrólise não misturada" significa um reator adequado ã realização de uma hidrólise enzimãtica com enzimas celulase nele presentes que não realizam nenhuma misturação ativa de seu conteúdo como é tipicamente empregado em reatores de hidrólise misturada. Embora o reator não misturado da presente invenção possa operar com certa quantidade de misturação localizada em função da introdução e retirada de líquidos e sólidos do sistema, essa misturação localizada não resulta em nenhuma dispersão ou misturação significante do conteúdo do reator, como ocorreria em reatores misturados. Por exemplo, uma pequena quantidade de misturação localizada pode ocorrer no fundo de um reator não misturado de fluxo descendente èm função da ação de uma raspadeira rotatória inferior ou de outros dispositivos empregados para remoção do conteúdo do reator. Similarmente, se o reator não misturado é um reator de fluxo ascendente, uma pequena quantidade de misturação localizada pode ocorrer no topo do reator não misturado em função da retirada da lama. A energia necessária para a descarga da lama é menos do que 5%, 3% ou 1% da energia necessária para misturar totalmente a lama usando um reator misturado de impulsor de hidrofólio de design convencional.

Em contraste, em reatores de hidrólise misturada convencionais, a misturação é fornecida por misturadores mecânicos como, por exemplo, impulsores, agitadores ou ejetores de montagem Superior, de montagem lateral ou de montagem inferior; movimento rápido de jatos bombeados de lama liquida para dentro ou através do vaso; e/ou introdução ou geração de gases ou vapores no vaso. Além disso, reatores sabidamente empregam misturação periódica (também aqui denominada "misturação intermitente") à medida que a lama passa através de zonas de misturação ao longo do comprimento do reator (veja Patente U.S. N° 5.888.806 (Nguyen)).

A hidrólise não misturada pode ser uma operação em batelada, em batelada alimentada ou continua.

Uma proporção de altura/diâmetro adequada de um reator de hidrólise não misturada em batelada ou contínua é entre cerca de 0,2:1,0 até cerca de 5,0:1,0, ou qualquer proporção nesse intervalo.

O número de reatores de hidrólise não misturada no sistema depende do custo dos reatores, do volume da lama aquosa e de outros fatores, Para uma instalação em escala comercial, o número típico de reatores de hidrólise não misturada pode ser, por exemplo, 1 a 10.

Os reatores não misturados podem estar em uma configuração consecutiva ou paralela. Aqueles habilitados na técnica poderiam facilmente selecionar uma opção adequada ponderando-se as vantagens e desvantagens de cada esquema de design.

De acordo com modalidades da invenção, a lama aquosa da matéria-prima celulósica prê-tratada possui um teor de água (p/p) que ê menos do que cerca de 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima, celulósica pré-tratada. Ou seja, a matéria-prima celulósica pré-tratada pode conter um pouco de água livre ou nenhuma água livre. A invenção engloba qualquer faixa de teor de água da matéria-prima celulósica pré-tratada que possua os limites numéricos 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130 ou 140% da capacidade de retenção de água máxima.

Em uma modalidade da invenção, a matéria-prima celulósica pré-tratada possui um teor de água entre 40% e 140% da capacidade de retenção de água máxima, oü entre 50% e .140%, ou entre 60% e 140%, ou entre 70% e 140%, ou entre 80 e 140% da capacidade de retenção de água máxima, ou qualquer faixa nesse intervalo. Em outra modalidade da invenção, a matéria-prima celulósica pré-tratada possui um teor de água entre 40% e 130%, ou entre 40% e 120%, ou entre 40% e 110%, ou entre 40% e 100%, ou entre 40% e 90% da capacidade de retenção de água máxima, ou qualquer faixa nesse intervalo.

Pode-se determinar se a lama aquosa contém ou não água livre medindo-se a capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada, como descrito no Exemplo 3. A capacidade de retenção de água máxima de uma matéria-prima celulósica pré-tratada é determinada por medição da quantidade de água que pode ser absorvida por uma massa de matéria-prima celulósica pré-tratada conhecida até o ponto no qual água adicional acrescentada à matéria-prima é água livre.

A lama da matéria-prima celulósica pré-tratada introduzida no reator de hidrólise não misturada possui entre cerca de 12% do peso e cerca de 40% do peso de sólidos não dissolvidos (UDS) ou qualquer faixa nesse intervalo. Em outra modalidade da invenção, a lama da matéria-prima celulósica pré-tratada possui entre cerca de 14% do peso e Cerca de 28% do peso de UDS, ou qualquer faixa nesse intervalo ou entre cerca de 18% do peso e cerca de 24% do peso de UDS. A faixa pode conter limites numéricos de 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 ou 40% (p/p).

O teor de sólidos não dissolvidos se baseia no peso seco dos sólidos e ê medido de acordo com o procedimento descrito no Exemplo 1.

A faixa de consistência de sólidos citada anteriormente pode ser obtida por dessecação de várias preparações de matéria-prima antes do pré-tratamento, incluindo, por exemplo, uma matéria-prima embebida, uma matéria-prima lixiviada ou uma lama da matéria-prima.

Alternativamente, uma etapa de dessecação pode ser realizada após o pré-tratamento na lama da matéria-prima pré-tratada. Sem limitação, dispositivos de dessecação adequados incluem prensas de parafuso, filtros, centrifugas e extrusores. Em uma modalidade adicional, a lama pode ser preparada pela adição de quantidades suficientes de água ou solução aquosa a uma matéria-prima que foi submetida à redução do tamanho de partícula para obter um teor de sólidos nessa faixa (veja, por exemplo, WO 2009/125292 que é aqui incorporado por referência) ,

A hidrólise enzimãtica da celulose em açúcares solúveis pode ser realizada com qualquer tipo de enzimas celulase adequadas a essa finalidade e eficazes no pH e outras condições utilizadas, independentèmente de sua fonte. Entre as celulases mais amplamente estudadas, caracterizadas e comercialmente produzidas são aquelas obtidas de fungos dos gêneros Aspergillus, Humicola, Chrysosporium, Melanocarpus, Myceliopthora., Sporotrichum e Trichoderma, e das bactérias dos gêneros Bacillus e Thermobifida. Celulase produzidas pelos fungos filamentosos Trichoderma longibrachiatum compreende pelo menos duas enzimas ceiobiohidrolase denominadas CBHI e CBHII e pelo menos quatro enzimas EG. Além disso, foram isoladas celulases EGI, EGII, EGIII, EGV e EGVI de Humicola insolens (veja Lynd e cols., 2002, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 55(3): 506-577 para uma revisão de sistemas de enzima celulase e Coutinho e Henríssat, 1999, "Carbohydrate-active enzymes: an integrated database approach", Em: "Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering", Gilbert, Davies, Henrissat e Svensson eds.

"The Royal Society of Chemistry", Cambridge, páginas 3-12, cada um dos quais aqui incorporado por referência).

Além de CBH, EG e beta-glicosidase, há várias enzimas acessórias que auxiliam na digestão enzimática de celulose (veja WO 2(309/026722 de co-propriedade (Scott) , que é aqui incorporado por referência, e Harris e cols., 2010, Biochemistry, 49; 3.305-3.316). Estas incluem EGIV, também conhecida como glicosídeo hidrolase 61, swolenina, expansina, lucinen e proteína induzida por celulose (Cip). A glicose pode ser enzimaticamente convertida nos dímeros gentiobiose, soforose, laminaribiose e outros por beta-glicosidase por meio de reações de transglicosilação.

Uma dosagem de celulase apropriada pode ser cerca de 1,0 até cerca de 40,0 Unidades de Papel de filtro (FPU ou IU) por grama de celulose, ou qualquer uma quantidade nesse intervalo. A FPU é uma medida-padrão familiar àqueles habilitados na técnica e é definida e medida de acordo com Ghose (Pure and Appl. Chem., 1987, 59: 257-268; que é aqui incorporado por referência). Uma dosagem de celulase preferida ê cerca de 10 a 20 FPU por grama de celulose.

A conversão de celobiose em glicose é realizada pela enzima p-glicosidase. O termo "p-glicosidase" significa qualquer enzima que hidrolisa o dímero de glicose, celobiose, em glicose. A atividade da enzima p-glicosidase é definida por sua atividade pela "Enzyme Commission" como EC# 3.2.1.21. A enzima p-glicosidase pode vir de várias fontes,· no entanto, em todos os casos, a enzima β-glicosidase pode hidrolisar celobiose em glicose. A enzima p- glicosidase pode ser uma glicosídeo hidrolase da Família 1 ou Família 3, embora outros membros da família possam ser usados na prática dessa invenção. A enzima β-glicosidase preferida para uso nessa invenção é a proteína Bgll de Trlchoderma. reesei. Também é contemplado que a enzima β-glicosidaSe pode ser modificada para incluir um domínio de ligação de celulose permitindo, desse modo, que essa enzima se ligue à celulose.

Enzimas celulase podem ser adicionadas à lama aquosa da matéria-prima antes ou durante sua introdução no reator de hidrólise não misturada ou ao próprio reator de hidrólise não misturada. Exemplos de métodos para adição de enzima incluem injeção direta, que pode envolver o USo de protuberâncias de misturação; misturação estática ou não rotatória; ou misturação em linha energizada, que pode empregar dispositivos rotatórios em linha ou picotadores em linha. Alternativamente, as enzimas podem ser adicionadas diretamente ao reator de hidrólise, embora a adição de enzimas antes da introdução da matéria-prima pré-tratada no reator de hidrólise seja preferida para misturação ótima e para minimização das necessidades de energia para a misturação. As enzimas podem ser manipuladas em uma solução aquosa ou como um pó ou granulado.

A hidrólise enzimãtica no reator não misturado produz açúcares solúveis, incluindo oligômeros de glicose, dímeros e/ou glicose. A enzima β-glicosidase pode ser omitida da mistura da enzima, embora seja preferido incluí-la durante a hidrólise, na medida em que o rendimento de glicose é significativamente reduzido em sua ausência.

O fluxo da lama aquosa da matéria-primâ através do reator pode ser ascendente ou descendente. Ou seja, a lama aquosa pode ser introduzida no fundo do reator de hidrólise com um fluxo líquido ascendente, ou ela pode ser introduzida no topo do reator e fluir de fõrmá descendente. Se a lama aquosa flui de forma ascendente no reator., as partículas sólidas não fluirão de forma ascendente mais lentamente do que o licor em consequência da consistência relativamente elevada da lama.

Sem limitação, a lama pode se mover em fluxo tubular através do reator de hidrólise não misturada. No entanto, deve ser observado que, na prática, o fluxo tubular da lama aquosa através do reator não será ideal, já que alguma canalização ou fluxo laminar da lama aquosa da matéria-prima pode ocorrer à medida que ela se move através do reator.

Como aqui usado, um "reator de fluxo tubular" é um reator dé fluxo ascendente, de fluxo descendente ou horizontal que é projetado de modo a obter um fluxo tubular do conteúdo do reator. Como discutido acima, o fluxo tubular pode não ser ideal, mas não há retenção diferencial significante de sólidos com relação ao líquido na lama.

Além disso, alguma misturação parcial ou outra perturbação do conteúdo do reator pode ocorrer à medida que o material ê descarregado, por exemplo, por uma raspadeira rotatória montada no fundo. No entanto, na zona de reação de um reator não misturado, não haverá movimento de lama, ou este será muito limitado, na direção radial. Como aqui usado,, o termo "zona de reação" se refere a uma zona no reator de hidrólise não misturada que exclui o volume do reator medido do topo do reator até 90% da altura do reator e o volume do reator medido do seu fundo até uma localização que é 10% da altura do reator.

A hidrólise enzimátíca é geralmente realizada em um pH entre cerca de 4,0 e 6,0, já que este está dentro da faixa de pH ótima para a maioria das celulases. Isso inclui faixas nesse intervalo que possuem limites numéricos de 4,0, 4,25, 4,5, 4,75, 5,0, 5,25, 5,5, 5,75 ou 6,0. Quando o pH da matéria-prima celulósica pré-tratada é ácido, seu pH tipicamente será aumentado com álcali até um pH de cerca de 4,0 até cerca de 6,0 antes da hidrólise enzimátíca ou, mais tipicamente, entre cerca de 4,5 e cerca de 5,5. No entanto, são conhecidas celulases com pH ótimos em valores de pH mais ácidos e mais alcalinos.

O álcali pode ser adicionado à matéria-prima pré-tratada após ela ser resfriada, antes do resfriamento ou em pontos tanto antes quanto depois do resfriamento. O ponto de adição do álcali pode coincidir com a adição da enzima celulase, ou o ponto de adição pode ser anterior ou posterior à adição da enzima. Se a enzima é adicionada depois do ponto de adição do álcali, o tempo de contato da enzima no pH mais baixo da matéria-prima pré-tratada tipicamente seria minimizado para evitar inativação da enzima. Sem limitação, é preferido que o álcali seja adicionado antes da adição da enzima Ou simultaneamente a ela.

O álcali pode ser adicionado em linha com a matéria-prima pré-tratada, por exemplo, a um misturador em linha, a uma bomba após o pré-tratamento ou diretamente ao reator não misturado. Uma bomba com entradas de injeção de substâncias químicas, e que promove misturação, por exemplo, uma bomba de consistência média, pode ser empregada para dispersar álcali e enzima simultaneamente.

Sem limitação, um dispositivo de misturação em linha poderia ser empregado pára adicionar álcali e enzima separadamente.

A temperatura da lama é ajustada de modo que esteja dentro da faixa ótima para a atividade das enzimas celulase. Geralmente, uma temperatura de cerca de 45°C até cerca de 70PC, ou cerca de 4 5°C até cerca de 65 °C, ou qualquer temperatura nesse intervalo, é adequada para a maioria das enzimas celulase. Por exemplo, a temperatura da lama pode ser ajustada até cerca de 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52,, 53, 54 , 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64 ou 65°C. No entanto, a temperatura da lama pode ser maior para enzimas celulase termofílicas.

A fim de manter a temperatura de hidrólise desejada, os reatores de hidrólise podem ser cobertos com vapor, água quente ou outras fontes de calor. Além disso, os reatores podem ser isolados para reter calor.

O tempo de residência hidráulica no reator não misturado pode ser entre 2 e 36 horas, entre 4 e 24 horas ou entre 6 e 12 horas. O limite superior dessa faixa é geralmente limitado por instabilidade de fluxo.

Prefere-se que a hidrólise enzimãtica e a fermentação sejam realizadas em vasos separados de modo que cada reação biológica possa ocorrer em sua respectiva temperatura ótima. No entanto, a hidrólise não misturada e a hidrólise misturada descritas abaixo podem ser realizadas simultaneamente com fermentação em uma sacarificação e fermentação simultâneas. SSF é tipicamente realizada em temperaturas de 35-38°C, que é um meio-termo entre a temperatura ótima de 50°C para celulase e a temperatura ótima de 28°C para leveduras. Consequentemente, essa temperatura intermediária pode levar a um desempenho abaixo do padrão tanto para as enzimas celulase quanto para as leveduras.

De acordo com uma modalidade da invenção, após término da hidrólise não misturada, o percentual de conversão da celulose na mistura de celulose parcialmente hidrolisada é entre cerca de 10% do peso e cerca de 70% do peso, ou entre cerca de 15% do peso e cerca de 65% do peso, ou entre cerca de 10% do peso e cerca dê 50% do peso, ou entre 10% do peso e cerca de 40% do peso, ou qualquer valor nesse intervalo, incluindo faixas que possuem limites numéricos de 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 ou 70% do peso. O percentual de hidrólise da celulose nessa mistura é medido de acordo com o método do Exemplo 2 e é medido na saída do reator de hidrólise não misturada ou, se um sistema de reatores de hidrólise não misturada é empregado, na saída do último reator no sistema.

A celulose parcialmente hidrolisada pode ser retirada do reator não misturado por qualquer dispositivo adequado conhecido por aqueles habilitados na técnica. Sem limitação, naquelas modalidades que empregam um reator não misturado de fluxo descendente, o conteúdo do reator pode ser transportado do reator por um parafuso de descarga auxiliado por umã raspadeira rotatória inferior. Como seria observado por aqueles habilitados na técnica, outros dispositivos para descarga da lama poderiam ser utilizados. Por exemplo, o fundo de um reator não misturado de fluxo descendente pode ter formato cónico para facilitar a descarga do conteúdo do reator. Essa última modalidade é adequada para lamas mais finas, enquanto a raspadeira montada no fundo pode remover lamas de consistência mais elevada.

Naquelas modalidades que empregam um reator não misturado de fluxo ascendente, um braço de varredura pode estar localizado no topo do reator para varrer a celulose parcialmente hidrolisada em uma calha ou cano de montagem lateral. Essa modalidade particular é adequada se o conteúdo do reator é relativamente espesso. Para material mais fino, o topo do reator pode ter formato cônico para facilitar a retirada da celulose parcialmente hidrolisada para dentro de um cano montado no topo do reator.

A viscosidade dó conteúdo do reator e, dessa forma, os meios específicos utilizados para a retirada de conteúdo do reator, irá variar com o tempo de retenção no reator não misturado, com a concentração de enzima e com outros fatores.

A mistura de celulose parcialmente hidrolisada que resulta da hidrólise não misturada pode se assemelhar a um plugue de material, ou a consistência pode ser tal que se pareça com uma lama aquosa. Como aqui usado, o termo "lama aquosa" se refere a uma matéria-prima pré-tratada que se parece com uma lama aquosa ou uma mistura de celulose parcialmente hidrolisada que se parece com um plugue de material.

Hidrólise com misturação

A mistura de celulose parcialmente hidrolisada da hidrólise não misturada é introduzida em um ou mais reatores de hidrólise que efetuam a misturação da lama. Tipicamente, a lama é introduzida em um reator de hidrólise misturada por uma bomba.

Várias configurações exemplares de reatores não misturados e misturados em paralelo, em série e combinações destes podem ser empregadas de acordo com a invenção são reveladas na Figura 1. As configurações 1 e 2 contêm reatores não misturados e misturados em série. Na configuração 1 da Figura 1, um reator não misturado 10 é seguido por reatores misturados 1 e 2, representados 20A e 20B, os quais, por sua vez, podem ser seguidos por qualquer número de reatores misturados em série adicionais 20C. A configuração 2 é basicamente a mesma que a configuração 1, exceto pelo fornecimento de um reator não misturado em série adicional 10B depois do primeiro reator misturado 20Ά. A configuração 3 mostra dois ou mais reatores não misturados em paralelo 10A e 10B com reatores misturados posteriores em série 20A, 20B e 20C. Na configuração 4, dois ou mais reatores não misturados estão em paralelo 10A e 10B, com reatores misturados em paralelo posteriores, representados 20A, 20C, 20D e 20E. A configuração 5 contém um reator não misturado 10, seguido por reatores misturados em paralelo 20A, 20C, 20D e 20E. Na configuração 6, dois ou mais reatores não misturados são mostrados em série, representados 10 e 10B, seguidos por reatores misturados em paralelo 20A, 20C, 20D e 20E.

A misturação no reator (reatores) de hidrólise misturada pode ser obtida por qualquer meio convencional, incluindo misturadores mecânicos como, por exemplo, impulsores, agitadores ou ejetores de montagem superior, de montagem lateral ou de montagem inferior; movimento rápido de jatos bombeados de lama liquida para dentro ou através do vaso; e/ou introdução ou geração de gases ou vapores no vaso.

Um reator de hidrólise misturada particularmente adequado é um reator de tanque agitado contínuo ou reator CSTR.

Similar à hidrólise não misturada, a hidrólise enzimática na hidrólise misturada é geralmente realizada em um pH entre cerca de 4,0 e 6,0, já que esse intervalo está dentro da faixa de pH ótimo da maioria das celulases. Isso inclui faixas nesse intervalo que possuem limites numéricas e 4,0, 4,25, 4,5, 4,75, 5,0, 5,25, 5,5, 5,75 ou 6,0. No entanto, são conhecidas celulases com pH ótimos em valores de pH mais ácidos e mais alcalinos.

A temperatura da lama durante a hidrólise misturada é ajustada de modo que esteja dentro da faixa ótima para a atividade das enzimas celulase. Geralmente, uma temperatura de cerca de 45°C até cerca de 7 0 °C, ou cerca de 4 5 °C até cerca de 65°C, ou qualquer temperatura nesse intervalo, é adequada para a maioria das enzimas celulase. No entanto, a temperatura da lama pode ser maior para enzimas celulase termofílicas.

O reator de hidrólise misturada (ou reatores) pode ser submetido à agitação suave, tipicamente com uma entrada de energia máxima de até 0,8 HP/3.785,41 litros, ou pode receber agitação pesada de até 20 HP/3.785,41 litros.

Opcionalmente, mais enzima celulase pode ser adicionada durante a hidrólise misturada.

Quando a hidrólise é realizada em um sistema de hidrólise misturada que inclui múltiplos reatores de hidrólise misturada, o número de reatores de hidrólise misturada no sistema depende do custo dos reatores, do volume da lama aquosa e de outros fatores. Para uma instalação em escala comercial, o número típico de reatores de hidrólise pode ser, por exemplo, 3 a 12. De preferência, a hidrólise misturada enzimática é um processo contínuo, com alimentação contínua de matéria-prima celulósica pré-tratada e retirada da glicose. No entanto, deve ser subentendido que processos de batelada e de batelada alimentada também estão incluídos dentro do escopo da presente invenção.

A fim de manter a temperatura de hidrólise desejada, o conteúdo do reator de hidrólise (ou reatores) é opcionalmente aquecido ou resfriado. O aquecimento ou resfriamento pode ser realizado com jaquetas de aquecimento ou resfriamento ou por permuta de calor com lama recirculada. O fluido de aquecimento ou resfriamento usado no permutador de calor ou na jaqueta pode incluir vapor, água quente, água fria, glicol ou salmoura. Deve ser subentendido que a temperatura do conteúdo do reator durante a hidrólise misturada poderia ser mantida dentro de uma faixa desejada sem nenhum aquecimento ou resfriamento do conteúdo do reator.

Outros parâmetros do design do sistema de hidrólise misturada podem ser ajustados como necessário. Por exemplo, o volume de um reator de hidrólise misturada em um sistema de hidrólise de celulase pode variar de cerca de 100.000 litros até cerca de 20.000.C00 litros, ou qualquer volume nesse intervalo, por exemplo, entre 200,000 e 5.000.000 litros, ou uma quantidade nesse intervalo. O tempo de residência total da lama em um sistema de hidrólise pode ser entre cerca de 12 horas até cerca de 200 horas, ou qualquer quantidade nesse intervalo.

Após o término da hidrólise misturada, o produto é glicose e qualquer celulose não reagida. Sólidos insolúveis presentes no jato resultante, incluindo lignina, podem ser removidos usando técnicas convencionais de separação de sólido-líquido antes de qualquer processamento adicional. No entanto, pode ser desejável, em alguns casos, levar adiante tanto sólidos quanto líquidos no jato de açúcar para processamento adicional.

De acordo com uma modalidade da invenção, entre cerca de 75% e cerca de 10 0% (p/p) da celulose na lama da matéria-prima pré-tratada são convertidos em glicose e/ou celobiose ao término da hidrólise misturada, ou entre cerca de 85% e cerca de 95%, ou qualquer faixa nesse intervalo. Isso inclui faixas que possuem limites numéricos de 75, 80, 85, 90, 95 ou 100%. A determinação da conversão de celulose é descrita no Exemplo 2.

Fermentação

A fermentação de glicose resultante da hidrólise pode produzir um ou mais dos produtos de fermentação selecionados de um álcool, um álcool de açúcar, um ácido orgânico e uma combinação destes.

A fermentação é tipicamente realizada em um pH entre cerca de 4,0 e cerca de 6,0, ou entre cerca de 4,5 e cerca de 6,0. Para obter a faixa de pH mencionada para fermentação, pode sér necessário adicionar álcali ao jato que compreende glicose.

Em uma modalidade da invenção, o produto de fermentação é um álcool, por exemplo, etanol ou butanol.

Para produção de etanol, a fermentação é tipicamente realizada com uma levedura Saccharomyces spp. A glicose e quaisquer outras hexoses presentes no jato de açúcar podem ser fermentados em etanol por Saccharomyces cerevisiae do tipo selvagem, embora leveduras geneticamente modificadas também possam ser empregadas, como discutido abaixo. O etanol pode então ser destilado para obter uma solução concentrada de etanol. Butanol pode ser produzido a partir de glicose por um microorganismo como, por exemplo, Clostridium acetobutylicum, e depois concentrado por destilação.

Xilose e arabinose, que são derivadas das hemiceluloses, também podem ser fermentadas em etanol por uma cepa de levedura que contém naturalmente, ou que foi geneticamente modificada para conter, a habilidade para fermentar esses açúcares em etanol. Exemplos de micróbios que foram modificados geneticamente para fermentar xilose incluem cepas récombinantes de Saccharomyces nas quais foram inseridos; (a) os genes de xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH) de Pichia stipítis (Patentes Ü.S. Nos 5.789.210, 5.866.382, 6.582.944 θ 7.527.927 e Patente Européia N° 450530) ou (b) o gene de xilose isomerase (XI) fúngica ou bacteriana (Patentes U.S. Nps 6.475.768 e 7.622.284). Exemplos de leveduras que foram modificadas geneticamente para fermentar L-arabinose incluem, sem limitação, cepas recombinantes de Saccharomyces nas quais genes das vias metabólicas de arabinose fúngicas (Patente O.S. N° 7.527.951) ou bacterianas (WO 2008/041840) foram inseridos.

Ácidos orgânicos que podem ser produzidos durante a fermentação incluem ácido lático, ácido cítrico, ácido ascórbico, ácido mãlico, ácido succínico, ácido pirúvico, ácido hidroxipropanõico, ácido itacônico e ácido acético. Em um exemplo não limitante, ácido lático é o produto de fermentação de interesse. Os microorganismos industriais mais bem conhecidos para a produção de ácido lático a partir de glicose são espécies dos gêneros Lactobacillus, Bacillus e Rhizopus.

Além disso, xilose e outros açúcares de pentose podem ser fermentados era xilitol por cepas de leveduras selecionadas do grupo que consiste em Candida, Pichia, Pachysolen, Hansenula, Debaryomyces, Kluyveronryces e Saccharomyces. Também são conhecidas bactérias que produzem xilitol, incluindo Corynebacterium sp., Enterobacter liquefaciens e Mycobacterium smegmatis.

Na prática, a fermentação é tipicamente realizada na temperatura e pH ótimos do microorganismo de fermentação, ou próximos a eles. Uma faixa de temperatura típica para a fermentação de glicose em etanol usando Saccharomyces cererisíae é entre cerca de 25°C e cerca de 35°C, embora a temperatura possa ser maior se a levedura for naturalmente termoestável ou ter sido modificada geneticamente para sê-lo. A dose do microorganismo de fermentação dependerá de outros fatores, tais como a atividade do microorganismo de fermentação, o tempo de fermentação desejado, o volume do reator e outros parâmetros. Deve ser observado que esses parâmetros podem ser ajustados da forma desejada por aqueles habilitados na técnica para obter condições de fermentação ótimas.

A fermentação também pode ser suplementada com nutrientes adicionais necessários para o crescimento do microorganismo de fermentação. Por exemplo, extrato de levedura, aminoácidos específicos, fosfato, fontes de nitrogênio, sais, microelementos e vitaminas podem ser adicionados à lama do hidrolisado para apoiar seu crescimento.

A fermentação pode ser realizada em modo de batelada, em modo contínuo ou de batelada alimentada, com ou sem agitação. De preferência, os reatores de fermentação são agitados ligeiramente com agitação mecânica. Uma fermentação em escala comercial típica pode ser efetuada usando múltiplos reatores. Os microorganismos de fermentação podem ser reciclados de volta para o fermentador ou podem ser enviados à destilação sem reciclagem.

Se e tar.ol ou butanol é o produto de fermentação, a recuperação é realizada por destilação, tipicamente com concentração adicional por peneiras moleculares ou extração em membrana.

O caldo de fermentação que é enviado à destilação é uma solução diluída de álcool que contém sólidos, incluindo celulose não convertida, e quaisquer componentes adicionados durante a fermentação para apoiar o crescimento dos microorganismos.

Microorganismos estão potencialmente presentes durante a destilação, dependendo se são ou não reciclados durante a fermentação. O caldo é preferivelmente desgaseifiçado para remover dióxido de carbono e depois bombeado através de uma ou mais colunas de destilação para separar o álcool dos outros componentes no caldo. O modo de operação do sistema de destilação depende se o álcool possui um ponto de ebulição menor ou maior do que a água. Mais frequentemente, o álcool poãsui um ponto de ebulição menor do que a água, como é o caso quando etanol é destilado.

Naquelas modalidades nás quais etanol é concentrado, a(s) coluna(s) na unidade de destilação é preferivelmente operada em um modo contínuo, embora deva ser subentendido que processos em batelada também são englobados pela presente invenção. O aquecimento para o processo de destilação pode ser introduzido em um ou mais pontos por injeção direta de vapor ou índiretamente por meio de permutadores de calor. A unidade de destilação pode conter uma ou mais colunas de cerveja e de retificação separadas, quando então a cerveja diluída é enviada â coluna de cerveja onde é parcialmente concentrada. Da coluna de cerveja, o vapor vai até uma coluna de retificação para purificação adicional. Alternatívamente, é empregada uma coluna de destilação que compreende uma seção de enriquecimento ou retificação integral.

Após a destilação, a água remanescente pode ser removida do vapor por uma resina de peneira molecular, por extração com membrana ou por outros métodos conhecidos por aqueles habilitados na técnica para concentração de etanol além de 95%, que são tipicamente obtidos por destilação. O vapor pode então ser condensado e desnaturado.

Um jato aquoso (ou jatos) remanescente após destilação de etanol e que contém sólidos, aqui denominado "resíduo de destilação", é retirado do fundo de uma ou mais das colunas da unidade de destilação. Esse jato conterá sais inorgânicos, açúcares não fermentados e sais orgânicos.

Quando o álcool possui ura ponto de ebulição mais elevado do que a água, por exemplo, butanol, a destilação é executada para remover a água e outros compostos voláteis do álcool. 0 vapor d'água sai do topo da coluna de destilação e ê conhecido Como o "jato aéreo".

Exemplo 1 Determinação da concentração de sólidos não dissolvidos em uma lama da matéria-prima celulósica

A determinação do teor de sólidos não dissolvidos (UDS) é realizada da seguinte forma:

Uma quantidade fixa de lama é dispensada em disco de pesagem de plástico e o peso da lama é registrado com precisão usando uma balança analítica. Üm círculo de papel de filtro, com tamanho apropriado para um funil de Buchner, é colocado em uma lata de pesagem de alumínio e o peso combinado da lata e do papel de filtro á registrado. Após transferência do papel de filtro pré-pesado para o funil de Buchner, a lama pré-pesada é passada através do papel de filtro para isolar os sólidos. Pequenos volumes de água deionizada são usados para assegurar que os sólidos são transferidos quantitativamente do disco de pesagem para o funil de Buchner. Os sólidos são então lavados usando água deionizada em excesso, e depois a amostra lavada e o papel de filtro são transferidos para a lata de alumínio pré-pesada. Deve-se tomar cuidado para assegurar que os sólidos sejam transferidos quantitativamente. Após secagem da lata de alumínio em um forno a 105°C de um dia para o outro, o conteúdo é pesado com precisão e o UDS é quantificado determinando-Se, como um percentual, o número de gramas de sólidos secos por grama de lama.

Exemplo 2 Determinação do grau de conversão de celulose após hidrólise não misturada ou misturada

O grau de conversão de celulose é determinado por medição das concentrações iniciais de celulose, glicose e celobiose e das concentrações de glicose e celobiose após ter ocorrido a hidrólise não misturada oü misturada, e aplicação das seguintes equações:

X = Conversão de celulose (%) .
G = Concentração de glicose (g/1).
Go = Concentração inicial de glicose (g/1) .
G2 = Concentração de dímero (g/1) ; inclui primariamente celobiose, mas também gentiobiose e outros dimeros.
G2o = Concentração inicial de dímero (g/1); inclui primariamente celobiose, mas também gentiobiose e outros dimeros.
Gmax. = Concentração de glicose a 100% de conversão de celulose (g/1).
C0 - Concentração inicial de celulose (%).
X0 = Concentração de xilose (g/1).

Exemplo 3 Determinação da capacidade de retenção de água máxima de uma matéria-prima celulósica pré-tratada

A matéria-prima celulósica é pré-tratada com ácido, por exemplo, corno descrito na Patente U.S. N 7.7 54.457 (aqui incorporada por referência) . Uma amostra da matéria-prima celulósica pré-tratada de peso seco conhecido é colocada em um recipiente sem aplicação de pressão. Agua é adicionada gradualmente à amostra até o ponto no qual a água adicional acrescentada é água livre. Esse ponto é estimado como o ponto em que a água forma uma camada fina contínua sobre a matéria-prima celulósica. O recipiente é inclinado para remover ãguã livre. A matéria-prima úmida é então pesada para determinar a quantidade total de água presente, incluindo água adicionada e água inicíalmente presente na amostra. A capacidade de retenção de água máxima por massa de matéria-prima lignocelulósica seca é calculada por divisão da massa de água presente na amostra pela massa seca da matéria-prima.

A determinação a capacidade de retenção de água e da percentagem da capacidade de retenção de água presente em uma amostra levam em conta a presença de sólidos dissolvidos nas amostras. Um cálculo detalhado é fornecido abaixo para ilustrar como fazer essa determinação.

Uma amostra de palha de trigo pré-tratada é obtida e o UDS é medido pelo procedimento descrito no Exemplo 1. O UDS é determinado como sendo de 22,0%. A amostra não possui nenhuma água livre e é ajustada até o pH 5,0 por utilização de 10 M de hidróxido de sódio antes dã medição do UDS.

O teor de sólidos dissolvidos da amostra é medido por adição de 25 g da amostra á 100 ml de água deionizada em um frasco de Erlenmeyer de 250 ml a 25°C e agitando-se manualmente a mistura resultante por 30 segundos para

dispersar ós sólidos por toda a água. A lama é então filtrada sobre um filtro de fibra de vidro Fisher ou Whatman. Uma alíquota de 2,80 g do filtrado é seca de um dia para o outro em um forno a 105 °C. 0 peso seco é anotado, que é de 0,0271 g. O teor de sólidos dissolvidos da amostra é então:

= 4,63% de sólidos dissolvidos.

A amostra de palha de trigo pré-tratada possui, portanto, 22,0% de UDS, 4,63% de sólidos dissolvidos e 73,37% de água (% de líquido).

A capacidade de retenção de água, que leva em conta o,s sólidos dissolvidos, é então determinada da seguinte forma: uma massa de 5,08 g da amostra é colocada em um disco de pesagem. Água é adicionada à amostra e dispersa por todos os sólidos até que uma camada separada de água se forme. A camada separada de água é derramada para resultar em uma amostra que está em sua capacidade de retenção de água. A amostra é pesada nesse ponto e o peso é de 5,87 gramas. A. capacidade de retenção de água da amostra á então:

= 4,04 g de água/g de UDS

A amostra a 22,0% de UDS contém (73,37% de água/22,0% de UDS) = 3,33 g de água/g de UDS. Essa amostra está a 3,33/4,04 = 82,5% da capacidade de retenção de água.

Exemplo 4 Hidrólise de celulose usando hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada

Palha de trigo foi pré-tratada com ácido sulfúrioo, como descrito na Patente U. S. 7.754.457 (aqui incorporada por referência). A matéria-prima pré-tratada foi subsequentemente hidrolisada em uma hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada com enzimas celulase e beta-glicosidase secretadas por Trichoderm a reesei da seguinte forma:

A consistência da lama da matéria-prima pré-tratada foi aumentada para 20% do peso de sólidos não dissolvidos (UDS) por filtração. Essa consistência corresponde a um teor de água que é 93,2% da capacidade de retenção de água da lama da matéria-primâ pré-tratada, como determinada pelo procedimento do Exemplo 3.

O tempo de reação da hidrólise não misturada foi de 0 (totalmente misturada) , 4, 8 e 24 horas, e depois desse tempo a hidrólise foi misturada por um tempo total de duração de hidrólise de 73 horas. As condições experimentais para a hidrólise não misturada e para a hidrólise misturada subsequente são mostradas na Tabela 1 abaixo.
Tabela 1: Condições experimentais para hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada.

Os resultados da hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada são mostrados nas Figuras 2 A, 2B e 2C. Os pontos de dados em cada figura (círculos abertos :e diamantes preenchidos) representam a conversão fracionada de celulose pára a hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada em cada ponto do tempo. 0 ponto do tempo no qual a hidrólise não misturada foi mudada para hidrólise misturada é indicado por um diamante preenchido. As curvas mostradas nas figuras revelam a hidrólise totalmente misturada correspondente.

As Figuras 2A, 2B e 2C mostram que a conversão fracionada de celulose obtida ao término da hidrólise, especificamente 73 horas, foi similar para hidrólise não misturada seguida por hidrólise misturada êm relação ã hidrólise totalmente misturada. Ou seja, é possível obter um nível similar de conversão após 7 3 horas em uma hidrólise não misturada/misturada ao de uma hidrólise na qual o conteúdo é misturado por todo o tempo. Isso é benéfico, pois índica que a misturação pode ser evitada pelas prime.inas 24 horas de hidrólise, sem perda da conversão de celulose ou da produção de glicose.

Exemplo 5 Hidrólise não misturada em um reator de hidrólise não misturada

Palha de trigo foi pré-tratada com ácido como descrito na Patente U.S. N° 7.754.457 (aqui incorporada por referência), e depois centrifugada em um sistema decantador para produzir uma torta pré-tratada do decantador de matéria-prima pré-tratada que possuía uma consistência de 24% do peso. A matéria-prima pré-tratada foi subsequentemente hidrolisada com enzimas celulase e beta-glicosidase secretadas por Trichoderma reesei em um reator de hidrólise não misturada da seguinte formai um processo de batelada alimentada foi usado para os ajustes, da hidrólise não misturada. Um peso definido de torta do decantador (55 kg) foi misturado em um tanque de misturação com uma quantidade de álcali suficiente para obter um pH de 5, e á mistura resultante foi aquecida até 52°C. Subsequentemente, uma quantidade de enzima celulase para obter uma dosagem-alvo de enzima de 60 mg/g foi adicionada no tanque de misturação. A concentração-alvo de sólidos não dissolvidos foi de 21% do peso. Essa consistência corresponde a um teor de água que é 87,6% dã capacidade de retenção de água da lama da matéria-prima pré-tratada, como determinada pelo procedimento do Exemplo 3. Após um periodo de misturação curto (3 minutos) realizado para dispersar a enzima com a lama, a lama foi transferida para um reator de hidrólise não misturada de 600 litros com uma raspadeira no fundo e um parafuso de descarga, e a hidrólise não misturada foi iniciada.

O tempo de reação-alvo para a hidrólise não misturada foi de 4 horas. O reator hão misturado foi aquecido com fitas de aquecimento para manter a temperatura da lama em 52°C. Quatro horas após a primeira batelada ter sido alimentada no reator, o material hidrolisado foi retirado do fundo do reator continuamente. Foram coletadas amostras da lama e a enzima nas amostras foi desativada imediatamente.

Os resultados da hidrólise não misturada no reator não misturado de 600 litros são apresentados na Figura 3 (círculos preenchidos) , juntamente com uma conversão de celulose zonas misturada, revelada como a linha acima dos pontos de dados. Como mostrado na Figura 3, o percentual de conversão de celulose para hidrólise realizada no reator não misturado se aproxima da conversão de celulose obtida com a hidfõlise totalmente misturada.

Exemplo 6 Comparação do consumo de energia na hidrólise nao misturada seguida por hidrólise misturada versus uma hidrólise totalmente misturada

Um tanque misturado de 20 litros convencionalmente projetado foi equipado com hidrofólios industriais-padrão e operado era modo de batelada. O gasto de energia foi determinado por medição online do torque do eixo. O tanque misturado foi operado com 18,8 litros de lama e a temperatura mantida em 50°C. A necessidade de energia foi definida de tal forma que fosse observada movimentação total em quatro localizações nas paredes do tanque; fundo, duas laterais (com afastamento de 180°) e no topo. Isso assegurava que não haveria estagnação significante da lama em qualquer localização visível no tanque com uma velocidade aproximada de 1 cra/s nas paredes. Para atingir essa condição, a potência do agitador foi ajustada para obter uma RPM especifica, mantida por 10 minutos, e depois eram feitas observações. Caso fosse observada estagnação visível nas paredes, a potência era aumentada ainda mais e o processo repetido até que fosse observada movimentação total.

A matéria-prima pré-tratada possui um UDS inicial de 2 0% do peso, o que corresponde a um teor de água que é 93,2% da capacidade de retenção de água da matéria-prima pré-tratada, como determinada pelò procedimento descrito no Exemplo 3.

Sabe-se (Levenspiel, 1999, "Chemical Reaction Engineering", Terceira Edição, John Wiley e Sons, Capitulo 5) que, em um sistema de densidade constante, um reator não misturado ideal (fluxo tubular) é mais eficiente do que um reator misturado ideal (CSTR), e que um reator não misturado de fluxo tubular se aproxima bem de um reator de batelada. Portanto, foi presumido que um estágio não misturado de quatro horas é aproximadamente igual em volume termos de tanque a um tanque misturado por quatro horas para obter o mesmo rendimento de saída. Os resultados na Figura 4 mostram que, para uma hidrólise misturada de primeiro estágio com conversão de celulose de 25%, o consumo relativo de energia é aproximadamente 10% da quantidade necessária para agitar a lama inicial antes da adição da enzima. Por comparação, para um primeiro reator não misturado, o consumo relativo de energia á aproximadamente zero. Quando o sistema emprega dois ou mais reatores misturados em série, o consumo total de energia será menor quando um reator não misturado (ou reatores) é usado acima dos reatores misturados. Por exemplo, se a lama inicial, antes da adição da enzima, necessitou de 100 HP/3.785,41 litros para ser totalmente misturada, então o primeiro reator misturado necessita de 10 HP/3.785,41 litros, e o reator não misturado necessitaria de 0 HP/3.785,41 litros. Para uma série: de 3.7 85,41 litros de dois reatores misturados, a necessidade total de energia seria de 10 HP + 0,9 HP = 10,9 HP, enquanto para um reator não misturado em série com um reator misturado a necessidade total de energia seria de 0 HP + 0,9 HP = 0,9 HP, o que corresponde a uma economia de energia de aproximadamente 92% mantendo, ao mesmo tempo, a conversão de celulose visada final. Embora não proibitivo, o uso de equipamento de misturação convencional no primeiro estágio misturado desse exemplo resultaria em tamanhos de motor excessivos em escalas comerciais. A inclusão de um reator não misturado diminui acentuadamente as limitações de tamanho do motor e permite que seja aplicado equipamento de misturação convencional em todos os tanques misturados, o que simplifica o design.

Deve ser observado que os Exemplos têm fins somente ilustrativos, e não devem ser considerados como limitantes da. presente invenção de forma alguma.

Claims

Processo para a hidrólise enzimática de celulose para produzir glicose a partir de uma matéria-prima celulósica pré-tratada, o processo caracterizado pelo fato de que compreende:
- (i) o fornecimento de uma lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada, cuja lama aquosa possui um teor de sólidos não dissolvidos entre 12% em peso e 40% em peso;
- (ii) introdução da lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada em um reator de hidrólise não misturada;
- (iii) adição de enzimas celulase à lama aquosa antes da etapa de introdução (etapa ii), durante a etapa de introdução (etapa ii), ao reator de hidrólise não misturada, ou uma combinação destes, em que, no reator de hidrólise não misturada, as enzimas celulase hidrolisam uma porção da celulose para produzir açúcares solúveis e reduzir a viscosidade da lama aquosa, produzindo, dessa forma, uma mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada;
- (iv) continuação da hidrólise da celulose em glicose por alimentação da mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada em um reator de hidrólise misturada que efetua misturação da mistura ou um sistema de hidrólise que compreende reatores de hidrólise misturada que efetua a misturação da mistura; e
- (v) retirada de um jato que compreende glicose e celulose não reagida do reator de hidrólise misturada ou do sistema de hidrólise da etapa (iv),
em que o consumo de energia associado a esse processo é reduzido em relação a um processo de outro modo idêntico utilizando um reator de hidrólise misturada na etapa (iii) .
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no reator não misturado é entre 10% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no reator não misturado é entre 25% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no reator não misturado é entre 35% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a enzima celulase contém beta-glicosidase.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o teor de água da lama aquosa está entre 40% e 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada.
Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o teor de água da lama aquosa está entre 60% e 120% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de hidrólise não misturada é um reator em batelada, em batelada alimentada ou contínuo com uma proporção de altura/diâmetro de 0,2:1,0 até 5,0:1,0.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os açúcares solúveis na mistura de celulose parcialmente hidrolisada compreendem glicose, celobiose, glicose oligômeros, ou uma combinação destes.
Processo para a hidrólise enzimática de celulose para produzir glicose a partir de uma matéria-prima celulósica pré-tratada, o processo caracterizado pelo fato de que compreende:
- (i) o fornecimento de uma lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada, cuja lama aquosa possui um teor de sólidos não dissolvidos entre 12% em peso e 40% em peso;
- (ii) introdução da lama aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada em um sistema de reatores de hidrólise não misturada;
- (iii) adição de enzimas celulase à lama aquosa antes da etapa de introdução (etapa ii), durante a etapa de introdução (etapa ii), ou a um ou mais reatores de hidrólise não misturada no referido sistema, ou uma combinação destes, em que as enzimas celulase hidrolisam uma porção da celulose para produzir açúcares solúveis no sistema de reatores de hidrólise não misturada e reduzem a viscosidade da lama aquosa, produzindo, dessa forma, uma mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada;
- (iv) continuação da hidrólise da celulose em glicose por alimentação da mistura de açúcares solúveis que contêm celulose parcialmente hidrolisada a um ou mais reatores de hidrólise que efetuam a misturação da mistura; e
- (v) retirada de um jato que compreende glicose e celulose não reagida dos um ou mais reatores de hidrólise da etapa (iv),
em que o consumo de energia associado a esse processo é reduzido em relação a um processo de outro modo idêntico utilizando um sistema de um ou mais reatores de hidrólise misturada na etapa (iii).
Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no sistema reator não misturado é entre 10% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no sistema reator não misturado é entre 25% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no sistema reator não misturado é entre 35% do peso e 70% do peso.
Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a enzima celulase contém beta-glicosidase.
Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o teor de água da lama aquosa está entre 40% e 140% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada.
Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o teor de água da lama aquosa está entre 60% e 120% da capacidade de retenção de água máxima da matéria-prima celulósica pré-tratada.
Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os reatores de hidrólise não misturada são reatores em batelada, em batelada alimentada ou contínuos com uma proporção de altura/diâmetro de 0,2:1,0 até 5,0:1,0.
Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os açúcares solúveis na mistura de celulose parcialmente hidrolisada compreendem glicose, celobiose, gentiobiose, glicose oligômeros, ou uma combinação destes.