BR112013011375A2

BR112013011375A2 - módulo de separação de fluidos/sólido para separar uma massa pressurizada de fluido que contém sólidos, módulo de separação de fluido/sólido para uso com uma extrusora de rosca que tem um tambor de extrusão, um bloco de extrusora e uma rosca de extrusora giratória recebida de modo justo no tambor de extrusora, processo para pré-tratamento contínuo de biomassa lignocelulósica antes de hidrólise e fermentação da biomassa para etanol celulósico,sistema para o pré-tratamento continuo de biomassa lignocelulósica antes da hidrólise e fermentação da biomassa para etanol celulósico e processo para tratar biomassa

Info

Publication number: BR112013011375A2
Application number: BR112013011375-8A
Authority: BR
Inventors: Richard Romeo LEHOUX; Christopher Bruce BRADT
Original assignee: Greenfield Ethanol Inc.
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2020-08-04
Also published as: US20140110324A1; US8746138B2; CN103237834A; EP2638100A4; CU20130068A7; CN103237834B; JP5907394B2; CA2815697C; MX344989B; CL2013001281A1; US9352253B2; SG189978A1; EP2638100A1; WO2012061942A1; AU2011326308B2; RU2013123644A; US20120118517A1; KR20140038923A; GEP201606575B; UA111729C2

Abstract

MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA SEPARAR UMA MASSA PRESSURIZADA DE FLUIDO QUE CONTÉM SÓLIDOS, MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA USO COM UMA EXTRUSORA DE ROSCA QUE TEM UM TAMBOR DE EXTRUSÃO, UM BLOCO DE EXTRUSORA E UMA ROSCA DE EXTRUSORA GIRATÓRIA RECEBIDA DE MODO JUSTO NO TAMBOR DE EXTRUSORA, PROCESSO PARA PRÉ-TRATAMENTO CONTÍNUO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DE HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO DA BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSICO, SISTEMA PARA O PRÉ-TRATAMENTO CONTÍNUO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DA HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO DA BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSICO E PROCESSO PARA TRATAR BIOMASSA Trata-se de um módulo de separação de sólido/fluido e de um aparelho de pré-tratamento e o método habilita o pré-tratamento da biomassa em temperatura e pressão altas com a capacidade de variar tempos de permanência e processamento.

Description

' 1/2"9 " " "" " " MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA SEPARAR UMA MASSA PRESSURIZADA DE FLUIDO QUE CONTÉM SÓLIDOS, MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA USO COM UMA EXTRUSORA DE ROSCA QUE TEM UM TAMBOR DE EXTRUSÃO, UM BLOCO DE EXTRUSORA E 5 UMA ROSCA DE EXTRUSORA GIRATÓRTA RECEBIDA DE MODO JUSTO NO TAMBOR DE EXTRUSORA, PROCESSO PARA PRÉ-TRATAMENTO CONTÍNUO DE

BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DE HIDRÓLISE E FRRMENTAÇÃO DA

J F- BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSICO, SISTEMA PARA O PRE- TRATAMENTO CONTÍNUO DE ..BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DA.. , . - 10 HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO DA BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSTCO E · PROCESSO PARA TRATAR BIOMASSA

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um dispositivo de separação de sólido/fluido e um método para o tratamento de 15 biomassa que inclui a separação de sólido/fluido, mais particularmente, o pré-tratamento de uma biomassa de lignocelulose em um processo de conversão bioquímica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO O pré-tratarnento de biomassa de lignocelulose para 20 conversão em produtos químicos exige tempo de permanência significante, alta pressão e alta temperatura. Os líquidos devem ser separados da biomassa tratada naquelas condições . para alcançar um alto rendimento e eficiência de processo. Atualmente, múltiplas peças de equipamento sãcj exigidas para " 25 alcançar isso que são onerosas em termos de custo de operação e capital. Além do mais, a eficiência de processo é pequena.

Um componente-chave de eficiência de processo no pré-tratamento de biornassa de lignocelulose é a habilidade de lavar e espremer açúcares de hemicelulose hidrolisada, 30 toxinas, inibidores e outros extratívos a partir da fração de celulose/biomassa sólida. É difícil separar efetivamente sólidos de líquidos sob alto calor e pressão exigidos para pré-tratamento de eelulose.

-— — —

"""T m - -.. . - '' 2'/2"9 ' "'"'"" '" " '_"" ¶· " " Durante a separação de sóIido/fluido, a quantidade de líquido restante na fração sólida é dependente da quantidade de pressão de separação aplicada, a espessura do bolo de sólidos e a porosidade do filtro. A porosidade do 5 filtro é dependente do núrnero e tamanho dos poros de filtro. Uma redução na pressão, um aumento na espessura do bolo ou uma diminuição na porosidade do filtro, todos, resultarão em uma diminuição no grau de separação de líquido/sõlido e no grau definitivo de secura da fração sólida. e 10 para uma espessura de bolo de sólidos e uma porosidade de filtro particulares, a separação máxima é alcançada a rnais alta pressão de separação possível. para uma espessura de bolo de sólidos e uma pressão de separação particulares, a separação máxima é dependente unicamente do 15 tarnanho de poro do filtro. As altas pressões de separação infelizmente exigem meios de filtro fortes, que têm a capacidade de suportar a pressão de separação, tornando o processo difícil e o equipamento exigido muito caro. Quando altas pressões de 20 separação são exigidas, a espessura dos meios de filtro necessita ser aumentada para suportar essas pressões. No entanto, a fim de manter a mesma porosidade geral corno o Ç filtro com os meios de filtro mais finos, os meios de filtro mais espessos exigem um tamanho de poro maior. Isso pode " 25 criar um problema, dependendo dos sólidos a serern retidos, já que o tamanho de poro do filtro aceitável é limitado pelo tamanho das fibras e partículas na fração de sólidos, sendo que a clareza da fração líquida é limitada unicamente pelo tamanho de poro dos meios de filtro. Os poros que são grandes 30 demais permitem urna significante quantidade de partículas suspensas a coletar na fração líquida, desse modo, reduzindo a eficiência de separação de líquido/sólido.

Com o tempo, os meios de filtro tendem a obstruir

3/"29" " "" " com os sólidos suspensos, reduzindo sua taxa de produção, especialmente às altas pressões exigidas para o pré- tratamento de celulose. Assirn, um fluxo de retrolavagem de líquido é, normalmente, exigido para desobstruir um bloqueio 5 e restaurar a taxa de produção. Uma vez que um filtro torna- se obstruído, é requerida alta pressão para retrolavar os meios. Isso é particularmente problemático durante o trabalho µ com meios de filtro que operam a pressões acima de 6,86 MPa (1000 psig) com um.processo que tem que ser contínuo a fim de « 1-0 maximizar a taxa de produção e a fim de obter alta eficiência de processo de pré-tratamento de celulose. O equípamento atual exigido para executar efetivamente o pré-tratamento de celulose é complexo e caro já que não há equipamento conhecido disponível para realizar, simultaneamente, 15 múltiplas etapas de pré-tratamento de biomassa de lignocelulose em um único aparelho.

As extrusoras de rosca única, dupla ou tripla convencionais não têm o tempo de permanência necessário para pré-tratainento de biomassa de baixa energia e também não têm 20 dispositivos de separação de só1ido/f1uido úteis e eficientes para o pré-tratarnento de biomassa. A patente n° U.S.

7.347.140 revela uma prensa de rosca corn um estojo perfurado. As pressões de operação desse tipo de prensa de rosca são é baixas, devido à baixa resistência do estojo perfurado. A " 25 patente n° U.S. 5.515.776 revela uma prensa de espiral e perfurações de drenagem na camisa de prensa que aumentam em área seccional transversal na direção de fluxo do líquido drenado. A patente n° U.S. 7.357.074 é voltada para uma prensa de rosca com um alojamento de desidratação cônico com 30 uma pluralidade de perfurações para a drenagem de água a partir de sólidos volumosos comprimidos na prensa. Novamente, uma camisa ou estojo perfurado é usado. Como será prontamente entendido, quanto mais alto o número de perfurações no

"" " 4/"29 alojamento, mais baixa a resistência à pressão do alojamento.

Além do mais, as perfurações de broca em um alojamento ou camisa de prensa são associadas a desafios sérios quando aberturas muito pequenas são desejadas para a separação de 5 sólidos finos. Assim, um módulo de desidratação aprimorado para uma prensa de rosca é desejada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

W É um objeto da presente invenção para obviar ou a ., amenizar pelo menos uma desvantagem de processos e 10 dispositivos de separação de sóIido e líquido anteriores. É um objetivo adicional fornecer um método aprimorado para o pré-tratamento de biomassa de lignocelulose e um módulo de separação de líquido/sÓlido para desempenho de separação aprimorado a pressões de separação elevadas.

15 A fim de aprimorar a separação de sólidos/fluido, a invenção fornece um módulo de separação de sólido/fluido para uma prensa de rosca, o mõdulo que separa o fluido de um líquido que contém uma massa de sólidos comprimidos pela prensa de rosca a pressões acirna de 0,69 MPa (100 psig). O 20 módulo de separação inclui uma unidade de filtro que têm uma porosidade de 5% a 40% (área de poro total relativa à superfície de filtro total). preferencialmente, o módulo . suporta pressões de operação de 20,68 MPa (3.000 psig) a uma porosidade de filtro de 5 a 40%, mais preferencialmente 11 a " 25 40%. A unidade de filtro preferencialmente inclui uma pluralidade de poros de filtro com um tamanho de poro de 41,81 a 4180,64 milímetros quadrados (0,00005 a 0,005 polegada quadrada). Em uma modalidade preferencial, a unidade de filtro 30 inclui poros de fíltro que têm um tamanho de poro de 41,81 milímetros quadrados (0,00005 polegada quadrada) para a separação de sóIidos finos, uma porosidade de 5,7% e uma resistência à pressão de 17,24 MPa (2.500 psig). Em outra i 5/29' modalidade, a unidade de filtro inclui poros que têm um tamanho de poro de 4180,64 rnilírnetros quadrados (0,005 polegada quadrada) e uma porosidade de 20% e uma resistência à pressão de 34,47 MPa (5.000 psig). Em uma modalidade 5 adicional preferencial, a unidade de filtro inclui poros de um tamanho de poro de 41,81 milímetros quadrados (0,00005 polegada quadrada) e uma porosidade de 11,4%. Em ainda outra ° modalidade preferencial, a unidade de filtro inclui poros que à ._ têm um_tamanho de poro de 4180,64 milímetros quadrados (0,005 10 polegada quadrada) e uma porosidade de 40%. Erri ainda outra modalidade, a unidade de filtro inclui poros de um tamanho de poro de 25,08 milímetros quadrados (0,00003 polegada quadrada). Para alcançar a eficiência máxirna de separação de 15 sólido/fluido, é desejável minimizar tamanho de poro de filtro ao mesmo tempo em que maximiza a porosidade de filtro , e operar a pressões de separação elevadas. A minimização do tamanho de poro é um desafio em prensas de rosca convencionais devido à necessidade de corte de passagens 20 cilíndricas para a camisa de Eiltro. Esse problema agora foi abordado pelos inventores. Na unidade de filtro da presente invenção, os poros de Eiltro são formados sirnplesmente pelo corte de uma fenda atravês de uma placa de filtro que pode

W ser alcançado muito mais facilmente que pela perfuração de " 25 orifícios em uma camisa de pressão. Q uso de fendas também permite para a criação de poros de filtro bem rnenores pelo usa placas de filtro bem finas e fendas estreitas. Por exemplo, pelo uso de uma placa de filtro de 127 micrômetros (0,005 polegada) de espessura e corte de uma fenda de 254 30 micrômetros (0,01 polegada) de largura na placa de filtro, um tamanho de poro de somente 41,81 milímetros quadrados (0,00005 polegada quadrada) pode ser alcançado. Tamanhos de poro ainda menores podem ser alcançados pelo uso de placas de

"" ""6/29 ""'" " " "_ "" " """'" " " " . ' filtro mais finas, por exemplo, uma placa de 76,2 mícrômetros (0,003 polegada) de espessura. Além do mais, a fim de fornecer uma porosidade relativamente alta a pressões de operação elevadas, um módulo de separação é fornecido para 5 vedação da conexão a uma fonte de uma massa pressurizada de líquido que contém sólidos, por exemplo, uma prensa de rosca.

Em um aspecto, o módulo de separação inclui uma " câmara de coleta pressurizável e uma unidade de filtro para reçebimento.de_modo vedante da massa pressurizada. A unidade a 10 de filtro tem um tarnanho de poro de filtro pré-selecionado e uma porosidade pré-selecionada. A unidade de filtro inclui pel-o menos uma placa de Eiltro que tem faces anterior e frontal opostas, uma placa de cobertura que se engata à face anterior da placa de Eiltro e uma placa de apoio que se 15 engata à face posterior da placa de filtro. O filtro, a cobertura e as pIacas de apoio definem uma abertura central atravessante vedada da câmara de coleta para recebimento da massa pressurizada. a placa de filtro tem pelo menos uma fenda de filtro atravessante que se estende para distante da 20 abertura central na placa de filtro, sendo que a fenda de filtro é vedada nas faces anterior e posterior pela cobertura e placas de apoio para formação de uma passagem de filtro que tem o tamanho de poro de filtro pré-selecionado. A placa de apoio tem um recesso para definição, juntamente com a face " 25 posterior, de uma passagem de drenagem em cornunicação fluida com a câmara de coleta e a passagem de filtro. para porosidade aumentada, a placa de filtro preferencialmente inclui uma pluralidade de fendas de filtro separadas para aumento da porosidade da unidade de filtro e a passagem de 30 drenagem se encontra em comunicação fluida com todas as fendas de fíltro. A fim de aumentar a porosidade da unidade de filtro ainda mais, a unidade de filtro preferencialmente inclui múltiplos pares de placas de filtro e apoio dispostos

" " "7/29 atrás da placa de cobertura em uma pílha de placas de filtro e cobertura alternadas, pela qual cada placa de apoio colocada entre duas placas de filtro funciona como a placa de apoio para uma e a placa de cobertura para a outra placa de

5 filtro.

Pela alternância das placas de filtro e apoio, a capacidaâe de pressão de separação da unidade de filtro é aumentada.

Pelo uso de placas de apoio que são mais espessas 'Ú que as placas de filtro, a capacidade de pressão da unidade de filtro. ,pode ser aprimorada adiciona.lmen,te.

De modo P ~

' 10 similar, pelo uso de placas de filtro e apoio que sao maiores em diâmetro, a capacidade de pressão da unidade de filtro pode ser aumentada.

Em urna modalidade, o módulo de separação é montável para o tambor de uma prensa de rosca e a abertura central é

15 dimensionada para receber de modo justo uma porção da rosca da extrusora da prensa.

A rosca da extrusora preferencialmente tem pouca folga para a abertura central do bloqueio de filtro para raspagem contínua do material comprimido para distante da superfície de filtro, ao mesmo

20 tempo eui que gera uma pressão de separação significante, No caso de uma pequena quantidade de fibras ficar aprisionada na superfície do filtro, a mesrna será cisalhada pelos elementos

. da extrusora em peças menores e finalmente passa através do filtro e para fora com a corrente líquida como partículas

" 25 muito finas.

Isso fornece um dispositivo de separação de sólido/fluido que permite a separação de porções sólida e líquida de um material em um ambiente de alta pressão e ternperatura.

Em outro aspecto, o módulo de separação para

30 separação de líquidos ou gases a partir de uma massa pressurizada de líquido que contém sólidos inclui um alojamento vedável que tem uma camisa de pressão que define uma câmara de coleta para líquidos e gases; uma saída de

. .

' 8/29 " " líquido e uma saida de gás na camisa para drenagem, respectivamente, de Iíquidos e gases a partir da câmara de coleta; uma placa de extremidade de entrada fixável de modo removível a uma extremidade de entrada da camisa; uma placa 5 de extremidade de saída fixável de modo removível a uma extremidade de saída da camisa e pelo menos um pacote de filtro que inclui uma placa de filtro e uma pIaca de apoio, q W pacote de filtro colocado entre as placas de extremidade de entrada e saída; as placas_de filtro e _apoio que têm uma

V 10 abertura central alinhada vedada da câmara de coleta para recebimento da massa pressurizada, em que a placa de filtro inclui pelo menos uma fenda de filtro atravessante que se estenda partir da abertura central para a placa de filtro e a placa de apoio que define uma passagem em comunicação fluída 15 com a fenda de filtro e a câmara de coIeta. preferencialmente, o alojamento vedável tem dois ou mais pares de placas de filtro e apoio.

preferencialmente, a placa de filtro inclui uma pluralidade de fendas de filtro.

20 preferencialmente, cada placa de apoio inclui um sulco circular em comunicação fluida com todas as fendas de fíltro de uma placa de filtro adjacente.

D preferencialmente, cada uma das placas de filtro e apoio tem um par de abas de montagem opostas para alinhamento " 25 e interconexão das placas. Cada aba de montagem pode ter urri orifício para recebimento um parafuso de aperto, para alinhamento e preensão da pilha de placas de filtro e apoío em um bloqueio de filtro contínuo. Alternativamente, q orifício para o parafuso de aperto é omitido e a camisa de 30 pressão inclui cristas em urna superfície interna para o alinhamento das abas e a evitação de rotação das placas de filtro e apoio em relação à abertura central.

Em um aspecto adicional, a presente revelação

'-4 9/29 fornece um uso do módulo de separação de sólido/fluido conforme descrito para o processamento de um material que tem uma porção sõlida, uma porção líquida e porção de gás, para separar a porção sõlida das porções líquida e de gás.

5 Em um aspecto adicional-, a presente invenção se fixa a urri processo para pré-tratamento de biomassa, em particular, a biomassa de lignocelulose.

" Outros aspectos e recursos da presente revelação se tornarão aparentes àquelas -pessoas de habilidade comum na a 10 técnica a partir da revisão da seguinte descrição de modalidades específicas em conjunto com as figuras anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Para um melhor entendimento das modalidades descritas no presente docuniento e para mostrar de modo mais 15 claro como podem ser colocadas em prática, referência será feita agora, a título de exemplo somente, aos desenhos anexos r que rnostram as modalidades exemplificativas e nas quais: A Figura 1 mostra uma vista esquemática de urri aparelho de pré-tratamento de celulose que incorpora uma 20 extrusora de rosca dupla com inódulo de separação de sólido/líquido. A Figura 2 ilustra esquernaticamente uma modalidade . de uni rnódulo de separação de sólido/fluido de extrusora de rosca dupla em vista explodida; " 25 A Figura 3 rnostra uma vista explodida do módulo de separação de sólido/fluido mostrado na Figura 2; A Figura 4 mostra uma placa de filtro (dedo) do módulo de separação que tem fendas de filtro estreitas como canais de drenagem; 30 A Figura 5 mostra uma vista detalhada ampliada da pIaca de filtro (dedo) da Figura 4; A Figura 6 mostra uma placa de filtro (dedo) do módulo de separação que tern fendas de filtro mais Iargas que

' 10/29 '"" a rnodalidade das Figuras 4 e 5; A Figura 7 mostra uma placa de apoio do lado direito da modalidade da Figura 3 A Figura 8 é uma vista em corte transversal da 5 placa de apoio da Figura 7, tornada ao Iongo da linha B-B; A Figura 9 é uma vista em cQrte transversal da placa de apoio da Figura 7, tomada ao longo da linha A-A; d A Figura lO mostra uma placa de apoio do lado

W --- esquerdo da modalidade da Figura.3; 10 A Figura 1l é uma vista isométrica de um par de placas de filtro e apoio de acordo com as Fi.guras 6 e 7; A Figura 12 é uma vista ern corte transversal do par de placas de filtro e apoio da Figura 11, tomada ao longo da linha C-C; e 15 A Figura 13 mostra a distribuição de tamanho de partícula das partículas encontradas em um filtrado obtido com uma modalidade do módulo de separação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS Será apreciado que, a título de simplicidade e 20 clareza de ilustração, quando for considerado apropriado, os numerais de referência podem ser repetidos entre as Figuras para indicar etapas ou elementos correspondentes ou análogos.

Além disso, vários detalhes específicos são apresentados a fim de fornecer um completo entendimento das modalidades 25 exemplificativas descritas no presente documento. No entanto, será entendido por aquelas pessoas de habilidade comum na técnica que as modalidades descritas no presente docurnento podem ser colocadas em prática sem esses detalhes específicos. Em outros casos, métodos, procedimentos e 30 componentes bem conhecidos não foram descritos em detalhes de modo a não tornarem confusas as modalidades descritas no presente documento. Além disso, essa descrição não é para ser considerada lirnitante do âmbito das modalidades descritas no

- "T presente documento de modo algum, mas, em vez disso, uma mera descrição da implantação das várias modalidades descritas no presente docurnento. Conforme mostrado na Figura 1, um sistema de pré- 5 tratamento de etanol celulósico contínuo simples 2 da presente invenção consiste em somente três máquinas. Uma primeíra extrusora 4 que é usada como um misturador/alimentador de tampão de alta pressão contínua

P para biomassa. A extrusora 4 alimenta a biornassa em um reator « 10 vertical 6. O reator vertical 6 tem a capacidade de ter um Iongo tempo de permanência. O reator vertical 6 alimenta a biomassa em uma segunda extrusora 8, preferencialmente uma extrusora de rosca dupla. O processo de pré-tratamento compreende fluir a biomassa através da primeira extrusora 4, 15 do reator vertical 6 e da segunda extrusora 8. A extrusora 4, que pode tambérn ser uma extrusora de rosca dupla, é usada para fornecer uma alimentação contínua no reator vertical pressurizado 6. A mistura de vários produtos químicos na extrusora 4 é possível dependendo do 20 tipo de matêria-prima. A extrusora 4 tem uma válvula automática que se fecha no momento de perda de alimentação para evitar perda de pressão no caso de perda de matéria- , prima. O reator vertical 6 tem a capacídade de operação " 25 com vários produtos químicos a pressões de até 2,41 Mpa (350 psig) e temperaturas de até 220 °C (425 °F) dependendo da biomassa. O tempo de permanência no reator vertical 6 pode ser variado de poucos minutos a muitas horas dependendo da biomassa.

30 A biomassa parcialmente tratada é descarregada a partir do reator vertical 6 na segunda extrusora 8 em uma zona de alimentação pressurizada 10. Na segunda extrusora 8, a maior parte da biomassa sólida se move para uma extremidade

""" 12/29 """"

de saída (lado direito na Figura 1) e uma pequena fração é transportada de volta para criar uma vedação de pressão nos eixos de acionamento.

Na segunda extrusora 8, pressões mais altas que no primeiro reator sãcj geradas, conforme exigido

5 por várias biomassas e o processo de pré-tratarnento é completado por dois, três ou mais processos separados dependendo da biomassa. m

O líquido de lavagem (água, amônia ou outros) se move contracorrente ou cocorrente em relação ao fluxo de * 10 biomassa de sólidos (lado esquerdo na Figura 1) de modo que a biomassa seja lavada com o líquido mais Iimpo na extremidade da extrusora.

Gases ou Eluidos supercríticos como dióxido de carbono podem ser injetados na extremidade de saída para aprímorar a força explosiva, conforme exigido, dependendo da

15 biomassa tratada.

Na extremidade de saída várias roscas da extrusora e/ou outro vaso de reator e/ou uma válvula de controle e/ou um orifício rotativo podem ser usados para criar uma vedação dinâmica e força explosiva exigidas por diferentes tipos de biomassa a diferentes pressões e teor de

20 matêria seca.

No momento da expansão explosiva da biomassa a partir de um desses dispositivos na saída, um cicj-one ou outro dispositivo de separação é usado para coletar os sólidos e quaisquer gases que sejam ejetadas. e

No rnomento da entrada na segunda extrusora 8, da

' 25 maior parte da biomassa é transportada para frente, enquanto uma pequena quantidade é transportada de volta para criar uma vedação dinâmica de pressão para evitar vazamento a partir do reator vertical 6. A biornassa entra no estágio de processo 1, conforme mostrado na Figura 1 e é submetida a uma pressão

30 mais alta, zona de filtração contracorrente inicial de alta temperatura que uso um primeiro dispositivo de separação de sólido/fluido 12 conforme será descrito em mais detalhes abaixo com referência às Figuras 2 a 13. Nesse ponto, alguma biomassa somente exige espremeção de extrativos e xarope de hemicelulose e pode não exigir água de Iavagem.

No dispositivo de separação de sólido/fluido, xarope de hemicelulose líquido e ou extrativos são removidos com

5 espessura do bolo controlada pelo uso de vários elementos de rosca.

A permeabilidade, tamanho de poro, área de filtro e taxa de pressão sãcj controlados pelo uso de diferentes projetos de placa de filtro, dependendo do tipo de biomassa tratada.

A pressão de líquido e a lavagem são controladas pelo uso de um tanque de lavagem de pressão controlada 16. No momento da saída do primeiro dispositivo de separação de sólido/fluido 12, a biomassa é transportada para frente (para a direita na Figura 1) e aquecida com o uso de água de alta pressão/vapor a partir da área dianteira e pressão através de compressão/transporte com vários elementos de rosca é aplicada.

No estágio de processo 2 mostrado na Figura 1, a biomassa é submetida à rnistura/amassamento de alta pressão com energia de cisalhamento variável para várias biomassas para aprimorar o pré-tratamento.

A filtração contracorrente final de alta pressão e a-lta temperatura {pode somente espremer xarope de hemicelulose parcial e extrativos e não lavar contracorrente conforme exigido por alguns tipos de biomassa) de hemicelulose Iíquida ocorre com a espessura do bolo controlada pelo uso de vários elementos de rosca.

A permeabilidade, tamanho de poro, área de filtro e taxa de pressão são controlados pela seleção de pIacas de filtro de projeto apropriado em um segundo dispositivo de separação de só1ido/f1uido 14 dependendo do tipo de biomassa tratada. pressão de líquido e a lavagem são controladas pelo uso de um

30 tanque de lavagem de pressão controlada 16. No estágio de processo 3, a biomassa é submetida a calor e pressão através de compressão/transporte com vários diferentes elementos de rosca da extrusora.

A energia de

" "14/29 - cisalhamento é conferida à biomassa para aprimorar acessibilidade de enzima conforme exigido para aprimorar o pré-tratamento de várias biomassas. A mistura/arnassamento de alta pressão de biorrtassa com energia de cisalhamento variável 5 para várias biomassas é usada para aprimorar q pré- tratamento. O ciclo intermediário de alta pressão e alta temperatura (ou ciclo final, dependendo da biomassa) pode ser - conferido com uso de filtração contracorrente ou cocorrente de xarope de hemicelulose líquida com espessura do. bolo

O 10 controlada pelo uso de vários elementos de rosca. A permeabilidade, tamanho de poro, ãrea de filtro e taxa de pressão são controlados pela seleção de placas de filtro apropriadas em um terceiro separador de sólido/fluido 18 para se adequar às propriedades de biomassa. Pressão de líquido e 15 a lavagem são controladas pelo uso do tanque de lavagem de pressão controlada 16. No estágio de processo 4 mostrado na Figura 1, a biomassa é submetida a calor e pressão através de compressão/transporte com vários elementos de rosca da 20 extrusora. A mistura/amassamento de alta pressão de biomassa com energia de cisalharnento variável é selecionável para várias biomassas. No estágio de processo 4, a bíomassa é . misturada com água de alta pressão ou outros fluidos/soluções para o estãgio de lavagem final. Outros fluidos podem incluir " 25 rnoléculas, que são um gás à temperatura ambiente como CO' líquido de alta pressão, que pode se tornar supercrítico no interior da extrusora devido à temperatura mais alta ou amônia que irá ser um gás de alta pressão.

A biomassa fibrosa sólida é, então, transportada 30 sob a pressão mais alta do sistema através da segunda extrusora 8 e uma das alternativas de vedação dinâmica e sai sob uma descompressão explosiva control-ada de gases comprimidos como vapor, amônia ou fluidos supercríticos no interior das fibras na saída da extrusora de rosca dupla para um dispositivo de separação de sólido/gás (ciclone ou outro).

Quando o CO' líquido de alta pressão é usado, a natureza supercrítica desse fluido quando é aquecido pela biomassa 5 impermeabiliza o interior das fibras sólidas de rnodo similar a um gás e resulta em um fluxo parcial do fluido a montante contra o perfil de pressão de sólidos do mesmo modo que um

V gás. Esse fluido supercrítico no ínterior da fibra exerce uma força explosiva a partir do interior da maioria das fibras 10 muitas vezes maior que um gás padrão no momento da saída da extrusora através da vedação dinâmica, modificando as partículas de celulose sóIida e, desse modo, aumentando a acessibilidade enzimática. Também na descarga da rosca dupla se encontra uma válvula de controle automática, que é usada 15 para manter o sistema um pouco pressurizado no caso de uma perda de alimentação ou potência.

Uma modalidade de um rnódulo de separador de sólido/fluicío livre de membrana 100 de acordo com a invenção é mostrada nas Figuras 2 e 3, cujo módulo tem a capacidade de 20 suportar forças de pressão internas muito altas (até 34,47 Mpa (5000 psig)). Esse rriódulo de separador de sólido/fluido pode ser usado corn o processo e o aparelho mostrado na Figura . 1, ao mesmo tempo em que tem a capacidade de controlar a permeabilidade/porosidade (capacidade de filtração) por " 25 várias configurações de placa de filtro e espessuras de placa conforme exigido pelo tipo de biomassa/sólidos tratados.

Em uma modalidade, conforme ilustrado na Figura 2, um módulo de separação de sólido/fluido 100 é usado em associação a uma prensa de rosca e montada entre o tambor de 30 extrusora de rosca dupla 500 e bloqueio de extrusora 520 da prensa de rosca. O módulo 100 separa fluidos (líquido e/ou gás) de um líquido que contém massa de sólidos comprimidos pela prensa de rosca, preferencialmente a pressões acirna de

0,69 MPa (100 psig). O mõdulo de separação 100 inclui uma câmara de coleta 200 e uma unidade de filtro 300 que têrri uma porosidade de 5% a 40% (área de poro total relativa à superfície de filtro total). preferencialmente, o módulo 100 5 suporta pressões de operação até 34,47 MPa (5000 psig) a uma porosidade de filtro de 5 a 40%, mais preferencialrnente 11 a 40°s. A unidade de filtro 300 preferencialmente inclui uma

P pluralidade de poros de filtro com urn tamanho de poro de 25,08 a 4180,64 milímetros- quadrados (0,00003 a 0,005

W 10 polegada quadrada). Em uma modalidade preferencial, a unidade de filtro 300 inclui poros de filtro que têm um tamanho de poro de 41,81 milímetros quadrados (0,00005 polegada quadrada) para separação de s6lidos finos, uma porosidade de 5,7% e uma 15 resistência à pressão de 17,24 MPa (2.500 psig). Em outra modalidade, a unidade de filtro 300 inclui poros de filtro que têm um tamanho de poro de 4180,64 milímetros quadrados (0,005 polegada quadrada) e uma porosidade de 20% e uma resistência à pressão de 34,47 MPa (5.000 psig). Em uma 20 modalidade adicional preferencial, a unidade de filtro 300 incluí poros de filtro de um tamanho de poro de 41,81 milímetros quadrados (0,00005 polegada quadrada) e uma porosidade de 11,4%. Em ainda outra modalidade preferencial,

Õ a unidade de filtro 300 inclui poros de filtro que têm um ' 25 tamanho de poro de 4180,64 milímetros quadrados (0,005 polegada quadrada) e uma porosidade ãe 40%. A construção básica do módulo de separação 100 é mostrada nas Figuras 2 e 3. Uma câmara de coleta 200, que tem a capacidade de suportar a pressão mais alta de qualquer 30 componente é usada para separar cjs fluidos filtrados em gases e Iíquido. A câmara de coleta é definida por uma camisa de pressão ou alojamento 220 e placas de extremidade de admissão e emissão 230 e 240. O Iíquido pode ser drenado da câmara de

17 /29 coleta 200 através de um dreno de líquido 221, preferencialmente localizado no ponto mais baixo na camisa de pressão 220. A camisa de pressão 220 inclui adicionalmente uma pluralidade de cristas de alinharnento 223 que se estendem 5 paralelas a um eixo geométrico longitudinal da camisa no interior da carnisa, para alinhamento das placas de filtro e apoio no interíor da câmara de coleta 200. O gás acumulado na F câmara de coleta 200 pode ser exaurido da câmara através de um dreno de gás 222, preferencialmente localizado no ponto - 10 mais alto na camisa de pressão 220. a câmara de coleta de alta pressão 200 é vedada por meio de vedações circulares 250 posicionadas entre extremidades axiais da camisa de pressão 220 e as placas de extremidade 230, 240. Essa capacidade de alta pressão/alta temperatura permite a lavagem de biomassa 15 com fluidos como amônia, C02 e água que estão, normalmente, no estado gasoso a temperaturas de operação de processo de 50 a 250 °C. o módulo de separação é apertado por parafusos de montagem 225 localizados no exterior da camisa de pressão 220 para unir as placas de extremidade 230, 240 e prender a 20 camisa de pressão 220 e vedações circulares 250 entre as mesmas. Os parafusos de preensão de unidade de filtro 129 (consulte a Figura 2) podem também ser usados para prender os , pacotes de filtro 321, 322 na unidade de filtro 300. Em uma modalidade preferencial, os parafusos de preensão de unidade ' 25 de filtro se estendem através das placas de extremidade 230, 240 e fornecer preensão do módulo de separação 200 adicional.

Os parafusos de preensão de unidade de filtro 129 podem também se estender através do bloqueio de extrusora 520 para aperto do bloqueio de extrusora ao módulo de separação. No 30 entanto, a fim de minimizar o número de pontos de penetração no módulo de separação 200 que necessitam ser vedados de modo confiável para manutenção de uma pressão na câmara de coleta 200, os parafusos de aperto da unidade de filtro 129 são omitidos e toda a preensão das peças da unidade de separação é alcançada pelas estruturas de aperto, como parafusos 225, localizados no exterior da camisa de pressão. Dependendo das pressões usadas, alguns gases podem ser separados exatarnente 5 na câmara de coleta 200 ou em algumas circunstâncias (conforme mostrado na Figura 1) um vaso de lavagem separado pode ser utilizado para otimizar a eficiência geral do processo. a unidade de filtro 300 inclui vários bloqueios de

O 10 placa 320 montados a partir de uma pilha dos pacotes de filtro básico 321, 322 da invenção, a combinação de uma placa de filtro 120 posicionada contra uma placa de apoio 160,180, que são descritos em mais detalhes abaixo corn referência às Figuras 4 a 12. Há pacotes de filtro 321 do lado direito que 15 incluem uma pIaca de filtro 120 e uma placa de apoio do lado direito 160 e pacotes de filtro 322 do lado esquerdo que incluem uma placa de filtro 120 e urna placa de apoio do lado esquerdo 180. Em um aspecto, o módulo de separação inclui uma 20 câmara de coleta pressurizável 200 e uma unidade de filtro 300 para receber de forrna vedável a massa pressurizada (não mostrada). A unidade de filtro 300 tem um tamanho de poro de filtro pré-selecionado e uma porosidade pré-selecionada. A - unidade de filtro 300 inclui pelo menos uma placa de filtro " 25 120 que tem faces frontal e posterior opostas 121, 123, uma placa de cobertura 230 que engata a face frontal 121 da placa de filtro 120 e uma placa de apoio 160, 180 engata a face posterior 123 da placa de filtro 120. As placas de filtro, cobertura e apoio (120, 230, 160/180) definem uma abertura 30 central atravessante 128 vedada a partir da câmara de coleta 200 para receber a massa pressurizada (não rnostrada). A placa de filtro 120 tem pelo menos uma fenda de filtro atravessante 132 que se estende para longe da abertura central 128 para o

·.·Ç W- 19/29 ~.· .

interior da placa de filtro, sendo que a fenda de filtro 132 é vedada nas faces frontal e posterior 121, 123 pelas placas de cobertura e apoio 230, 160/180, para formar uma passagem de filtro que tem o tamanho de poro de filtro pré- 5 selecionado. A placa de apoio 160/180 tem um recesso 164 para definir junto com a face posterior 123 uma passagem de drenagem em comunicação fluida com a câmara de coleta 200 e a " Eenda de filtro 132 (vide as Figuras 11 e 12). para porosidade aumentada, a placa de filtro 120 inclui 10 preferencialrnente uma pluralidade de fendas de filtro separadas 132 e a passagem de drenagem 164 está em comunicação fluida com todas as fendas de filtro 132. Para aumentar a porosidade da unidade de filtro ainda mais, a unidade de filtro inclui preferencialmente múltiplos pares de 15 placas de filtro e apoio (12Q, 160/180) dispostas atrás da pIaca de cobertura 230 ern uma pilha de placas de filtro e cobertura alternantes, em que cada placa de apoío 160/180 ensanduichada entre duas placas de filtro 120 funciona como a placa de apoio para uma placa de filtro e como a placa de 20 cobertura para a outra placa de filtro. Alternando-se as placas de filtro e apoio (120, 160/180), a capacidaãe de pressão de separação da unidade de filtro 300 é aumentada.

- Usando-se as placas de apoio 160/180 que são mais espessas que as placas de filtro 120, a capacidade de pressão da " 25 unidade de filtro 300 pode ser aprimorada adicionalrnente. Na modalidade da Figura 2, o módulo de separação 100 é montado ao tambor 500 de uma prensa de rosca e a abertura central 128 é dimensionada receber de modo justo uma porção da rosca de prensa (não mostrada). A rosca de prensa 30 de uma prensa de "rosca tem geralmente folgas muito pequenas para a abertura central 128 do bloco de filtro 300 e raspa continuamente o material comprimido para longe da superfície de filtro enquanto que ao mesrno ternpo gera pressões de separação significativas.

No evento de uma quantidade pequena de fibras ficar presa na superfície do filtro, as mesmas serão cisalhadas pelas roscas de extrusora em pedaços pequenos e passarão fínalmente através do filtro e para fora \

5 com a corrente de líquido como partículas muito finas.

Isso fornecer urn dispositivo de separação de fluido/sõlido que permite a separação de porções de líquido e sólido de um material em um ambiente de temperatura e pressão altas.

Ao Éer a rosca de extrusora limpando os poros de ¥

10 Eiltro 134 tangencialmente, o dispositivo de separação é rnenos suscetível a entupimento.

Devido à resistência de pressão e porosidade elevada do módulo de separação 100 de acordo com a invenção, um de teor de rrtatéria seca na descarga de porção seca de até 90% é possível, enquanto que ao mesmo

15 ternpo uma porção de líquido relativamente limpo é alcançada, devido ao tamanho de poro pequeno, sendo que os sólidos são tão baixo quanto de 1 %. Será prontamente compreendido que o rnódulo de separação de sólido/fluido de acordo com a invenção pode ser usado em muitas aplicações diferentes para separar

20 porções de fluido/sólido de um material.

No teste piloto em urna base contínua, IOog de unidade de biomassa que contérn 40 g de sólidos e 60 g de água n foram lavados com 40 g de água e então o líquido foi espremido para fora do filtro com o uso de força interna de

" 25 4,13 M?a (600 psig) ern uma temperatura de 100 °C para obter uma descarga de biomassa seca (porção de sólidos da biomassa de sóIido/líquido) que contém 39 g de sólidos suspensos e 5 g de água.

O filtrado que contém 95g de água estava relativarnente limpo contendo sornente 1 g de sólidos suspensos

30 com tamanho de partícula médio de 5 mícrons e uma distribuição de partícula de acordo com a Figura 13. Adicionalmente, como o dispositivo de separação de fluido/sólido da presente invenção é menos suscetível a

" " 2"1/2 9' entupimento, existe uma necessidade menor para manutenção conforme é requerido periodicamente com dispositivos de separação conhecidos. portanto, o dispositivo de separação de fluido/sõlido pode ser usado erri um processo corn menos tempo 5 de inatividade e menos manutenção resultando em capacidade de produção aumentada e menos custo. A Figura 4 mostra uma placa de filtro fina 120 que " tem uma seção intermediária circular 122 fixada a urna primeira aba cíe suporte 124 e uma segunda aba de suporte 126.

P 10 A seção intermediária circular 122 tem uma abertura central conformada em oito de figura 128 para receber de modo justo as roscas de prensa de uma prensa de rosca gêmea. A placa de filtro 120 tem uma face frontal 121 e uma face posterior 123. A abertura central 128 é cercada por uma pluralidade de dedos 15 finos 130 e fendas de filtro intermediário 132. Para alcançar eficãcia de separação de fluido/sólido máxima, é desejável minimizar o tamanho de poro de filtro, enquanto o filtro é maximizado. Minirnizar o tamanho de poro é um desafio de em prensas de rosca convencionais devido à necessidade de cortar 20 passagens cilíndricas na camisa de filtro. Esse problerna é Iidado com uma unidade de filtro de acordo com a invenção, ern que poros de filtro são forrnados por simplesrnente cortar uuia . fenda 132 em uma placa de filtro fina 120. A fenda de filtro 132 é cortada através da espessura completa da placa 120 e é " 25 portando referida no presente documento como uma fenda atravessante. Os poros de filtro muito pequenos podem ser alcançados com placas de filtro 120 de acordo com a invenção com o uso de placas de filtro muito finas 120 e fendas muito finas 132 conforme mostrado nas Figuras 4 e 5. Por exernplo, 30 usando-se uma placa de filtro de espessura de 127 micrômetros (0,005 polegada) e cortando-se uma fenda de largura de 254 micrômetros (0,01 polegada) para o interior da placa de filtro, um tamanho de poro de somente 0,03 milímetro quadrado

(0,00005 polegada quadrada) pode ser alcançado. Para filtração ainda mais refinada, uma placa de filtro de espessura de 76,2 micrômetros (0,003 polegada) é usada com

L uma largura de fenda de filtro de 254 micrômetros (0,01 5 polegada), resultando em um tamanho de poro de somente 0,02 milímetro quadrado (0,00003 polegada quadrada).

Conforme mostrado na Figura 5, as fendas muito " finas 132 e dedos finos intermediários 130 são conformados e posicionados de modo que os mesmos forneçam fendas de filtro 0 10 que se estendern a partir da abertura central 128 até o interior da placa de filtro 120 e em direção a uma porção externa da seção intermediária 122. preferencialmente, as extremidades das fendas de filtro 132 estão todas localizadas em um círculo concêntrico com e espaçado para dentro a partir 15 de uma borda exterria da seção intermediária circular 122. Para aprimorar o fluxo de líquido através dos canais de drenagem finos, os canais são rrtais estreitos na sua extremidade interna 134 na abertura central 128 e alargam para fora para sua extremidade externa 136.

20 A placa de filtro 120 é posicionada contra uma placa de apoio conforme rriostrado nas Figuras 11 e 12. Isso será discutido ern mais detalhes posteriormente. Existem dois tipos de placas de apoio, placas de apoio de mão esquerda 160 m conforme mostrado na Figura 7 e placas de apoio de mão " 25 direita 180 conforme mostrado na Figura 10. As placas de apoio de mão esquerda e direita 160, 180 têm o mesmo princípio de construção e incluem urna porção central circular 162, 182 com a abertura central 128 e abas de montagem 190, 192 que se estende a partir da porção central 162, 182. A 30 única diferença entre as placas de apoio de mão esquerda e direita é a orientação das abas de montagem 190, 192 em relação à abertura central 128, sendo que as abas se estendem em um ângulo de 45 graus para a direita, em relação ao eixo

23/2'9 ' geométrico transversal da abert-ura central 128 na placa de apoio de rnão direita 160 e em um ângulo de 45 graus para a esquerda na placa de apoio de mão esquerda 180. As placas de apoio de mão esquerda e direita são usadas, através disso, 5 para criar uma mudança de 90 .graus no padrão de retenção das pIacas e para fornecer um meio para o líquido ser drenado para o fundo da câmara de coleta e gases para fluir para o " topo da câmara de coleta se a biomassa particular requerer separação de gás/líquido nesse estágio. O número de placas de @ 10 mão direita consecutivas (ou reciprocamente placas de mão esquerda) com placas de filtro intermediárias é geralmente igual a pelo menos 6.350 micrômetros (0,25") de espessura, mas pode ser tanto quanto 25.400 micrômetros (1") de espessura dependendo do número geral de placas.

15 As abas de montagem de placa de filtro 124, 126 e as abas de montagem de pIaca de apoio 190, 192 são todas coMorrnadas para serem recebidas recebida de modo justo entre os pares de alin.hamento de cristas 223 montadas sobre uma parede interna da camisa de pressão 220. Cada tipo de placa 20 de apoio tem um sulco periférico usinado 164 na porção central 162, 182 conforrne é aparente a partir das Figuras 7 a 9 e 10, sendo que os cortes transversais através da placa de apoio de mão esquerda 180 são idênticos àqueles da placa de

B apoio de rnão direita 180 mostrada nas Figuras 8 e 9. O sulco " 25 periférico 164 é posicionado para corresponder às extremidades externas 136 das fendas de filtro 132 na placa de filtro 120 (vide as Figuras 4 a 6), quando a placa de filtro 120 e a placa de apoio 160, 180, são posicionadas uma após a outra com a abertura central 128 alinhada conforme 30 mostrado nas Figuras 1l e 12. As Figuras 11 e 12 ilustram o pacote de filtro mais básico de acordo com a invenção, uma placa de filtro 120 e uma placa de apoio 160 que engatam à face posterior 123 da

L placa de filtro. Os fluidos (líquido e/ou gás) entranhados na massa pressurizada (não ilustrada) alimentados através da abertura central 128 são forçados pela pressão de separação presente para fluir par ao interior das fendas de filtro 132 5 (vide setas). Na extremidade 136 da fenda de filtro, o fluido é redirecionado para fluir para q interíor do sulco periférico 164 na pIaca de apoio 160 e sai do sulco periférico 164 para o interior da câmara de coleta (vide as Figuras 11, 12 e 3). Como tal, a p.laca de filtro fina 120 10 pode filtrar o líquido e as partículas muito pequenas que correm através das fendas de filtro 132 em urna direção transversal ao fluxo de biomassa através da abertura central conformada em oito de figura 128. De modo recíproco com uma configuração de placa de 15 poro maior, tal como aquela mostrada na Figura 6, que é adequada para fibras de biomassa de celulose/ partículas maiores, o fator limitador em porosidade é a espessura de placa da placa de filtro. Foi observado com biomassa de celulose que essa configuração de placa de filtro mais grossa 20 fornece separação de líquido-sõlido boa, enquanto que ao mesrno tempo minimiza a área de superfícíe e número de placas requerido para alcançar a mesma separação de líquido com a mesrna pressão interna que com a pIaca de filtro fina da Figura 4.

25 Conforme mostrado na Figura 6, uma placa de filtro grossa de poro maior 140 tem uma seção de filtro intermediária circular 142 fixada a uma primeira aba de suporte 144 e uma segunda aba de suporte 146. A seção de filtro intermediãria circular 142 tem uma abertura central 30 conformada em oito de figura 128 definida por uma pluralidade de dedos maiores 130 entre as fendas de filtro 132 cortadas através da placa de filtro 140. Conforme mostrado na Figura 6, os dedos maiores 130 são posicionados entre canais de r" 25/29 drenagem grossos 132. A placa de filtro grossa 140 é posicionável contra uma placa de apoio, tal como a placa de apoio de mão esquerda 160 mostrada na Figura 7 para alcançar um pacote de filtro

5 conforme mostrado nas Figuras 11 e 12. De modo geral, com a capacidade de pressão inaior, ou mais Iíquido pode ser espremido dos sóIidos ou, para a 0 mesma secura de material, uma taxa de produção superior pode ser alcançada por ârea de filtração de unidade. n

10 A qualidade da filtração (captura de sólidos) pode ser controlada dependendo das espessuras de configurações de placa.

A £iltração/ classificação de pressão /custo de capital podem ser otimizados dependendo dos requerimentos de filtração da biomassa particular.

As configurações de placa

15 podem ser instaladas em uma extrusora (roscas triplas, gêmeas e única) para desenvolver pressão alta, vazão alta, separação contínua.

O módulo de separação de sólido/fluido é de autolimpeza (para roscas triplas ou gêmeas) devido à natureza de Iimpeza das roscas e do padrão de fluxo axíal cruzado.

A

20 área de filtração é flexível dependendo dos requerimentos de processo como o comprimento do pacote placa ~ pode ser facilmente de ajuste personalizado para os requerimentos

. particulares.

O módulo pode ser usado para lavar sólidos em uma configuração de cocorrente ou contracorrente em um único

" 25 ou múltiplos estágios em uma máquina, reduzindo o custo de capital e requerimentos de energia.

A pressão do filtrado líquido pode ser controlada a partir de condições de vácuo para até mesmo superior ao bloco de filtro pressão interna (13,78 a 20,68 MPa (2.000 a 3.000 psig)) se requerido.

Isso

30 fornece uma flexibilidade de processo grande para separações adicionais na corrente de líquido (exemplo, CÔ2 supercrítico sob pressão alta, líquido de amônia usado para lavagem sob pressão alta, ou liberação de gases de VOC e amônia na câmara

- n 26/29 — ~ .

0 de filtrado líquido com o uso de vácuo). A capacidade de contrapressão alta (maior que o bloco de filtro pressão interno) pode ser usada para contrafluxar o filtro durante a operação em caso de entupimento ou incrustação do filtro 5 minimizando o tempo de inatividade. porosidade de filtro fino O tamanho dos poros finos é a espessura da placa " fina x a largura da fenda na abertura- Na placa de filtro da Figura 4, o tamanho de poro é 127 rnicrôrnetros (0,005") 0 10 (espessura da placa) x 254 micrômetros (0,010") (largura da fenda na abertura) = 0,03 milímetro quadrado (0,00005 polegada quadrada) por poro. Existem 144 pores por placa para uma área de poro total de = 4,65 milímetros quadrados (0.0072 poIegada quadrada) de área aberta por placa.

15 Em uma configuração experimental que usa uma extrusora de rosca gêmea de diâmetro de 25.400 micrômetros (1 polegada) pequena, essa placa de dedo foi emparelhada com uma placa de apoio de 508 micrômetros (0,020") de espessura, resultando em uma área de filtro total de 81,03 milímetros 20 quadrados (0,1256 polegada quadrada). Portanto a área de abertura total desse único conjunto das placas experimentais (pacote de filtro) é calculada corno 0,0072/0,1256 = 5,7%.

a Nessa porosidade, o par de placas experimentais (placas de apoio de 508 micrômetros (0,020") de espessura) foi capaz de · 25 suportar uma pressão de separação de 17,23 MPa (2.500 psig). Um pacote de 25.400 micrômetros (1") de espessura de placas experimentais incluía 40 placas de filtro no total x 4,65 milímetros quadrados (0.0072 polegada quadrada) = 185,81 milimetros quadrados (0,288 polegada quadrada) de área 30 aberta. Aquilo é igual a mais que um cano de diâmetro de

12.700 micrômetros (0,5"), tudo alcançável dentro de uma distância de somente 25.400 micrômetros (1 polegada) do comprimento de extrusora na extrusora de diâmetro pequeno de

25.400 micrômetros (1") usada. Porosidade de Filtro Grosso Na placa de filtro grossa experimental usada, conforme mostrado na Figura 6, em termos de capacidade de 5 filtração e trajetória de fluxo de líquido, a largura das fendas de filtro foi basicamente a mesma que a espessura da placa de filtro, resultando em uma série de sulcos axiais. A " área aberta total de um conjunto de placas (placa de filtro grossa + placa de apoio) é uma razão da espessura de placa

D 10 que nesse caso = 0,005/0,025 = 20% ou cerca de 4 vezes da área aberta do sistema de placa de filtro fina. Usando-se placas grossas em um pacote de 25.400 micrômetros (1") de espessura de placas, ern 40 placas de dedo no total, terminamos com 40 x 13,48 milímetros quadrados (0,0209 15 polegada quadrada) de área aberta por placa = 540 milímetros quadrados (0,837 polegada quadrada) de área aberta. Isso é maior que um cano de diâmetro de 25.400 micrômetros (1"), tudo alcançado dentro de uma distância de 25.400 micrômetros (1 polegada) de comprimento de extrusora na extrusora de 20 diâmetro pequeno de 25.400 micrômetros (I") usada. Para ambos os tipos de placas, a porosidade pode ser aumentada de forma significativa dirninuindo-se a espessura das placas de apoio, enquanto que mantém a placa de a filtro na mesma espessura. Reduzir a espessura de placa de " 25 apoio por 50% irá dobrar a porosidade da unidade de filtro. Enquanto isso, a resistência da unidade de filtro diminuíra sempre que a espessura de placa de apoio for diminuída, mas isso pode ser cancelado aumentando-se o diâmetro geral das placas de apoio, fazendo a trajetória de fluxo de líquido 30 levemente mais longa, mas mantendo a área aberta a mesma. O uso das placas de filtro 120 para a fabricação do módulo de filtro permite a produção de custo baixo do filtro, visto que os métodos de produção de custo baixo podem ser

28/Z9 usados. As placas podern ser cortadas por laser ou para filtração mais grossa as placas podem ser estampadas. O custo de equipamento geral para pré-tratamento de biomassa também é inferior devido à capacidade de ter múltiplas etapas de 5 processo ocorrendo em uma única máquina. O módulo de separação de sólido/fluido pode acomodar separação de três fases simultaneamente. + O tipo de material usado para a fabricação da

U - unidade de filtro _pode ser, adaptado para condições de 10 processo diferentes. Por exemplo, em materiais de aplicações corrosivas/pH baixo como titânio, ligas de molibdênio e níquel altas podem ser usadas.

Em particular, os inventores desenvolveram um dispositivo de separação de fluido/sólido que separa as 15 porções de líquido e sólido de um material e é menos suscetível a entupimento contra dispositivos de separação de fluido/sólido conhecidos. É contemplado que o dispositivo de separação de fluido/sólido pode ser usados em muitas aplicações diferentes para separar as porções de 20 fluido/sólido de um material. Adicionalmente, ccjmo o dispositivo de separação de fluido/sólido da presente invenção é menos suscetível a entupimento, existe uma a necessidade menor para manutenção que inclui retrolavagem conforme é requerido periodicamente com dispositivos · 25 conhecidos. Portanto, o dispositivo de separação de fluido/sólido pode ser usado em um processo com menos tempo de inatividade e menos manutenção resultando em capacidade de produção aumentada e menos custo.

No dispositivo de separação de fluido/sólido 30 descrito, os elementos de rosca que transferem o material internamente no dispositivo de separação têm folgas pequenas para a superfície interna do bloco de filtro e raspam continuamente o material para distante da superfície de

29/"2"9" " ' - .-- — filtro. No evento de uma quantidade pequena de fibras ficar presa na superfície do filtro, as mesmas serão cisalhadas pelo elementos de extrusora em pedaços pequenos e passarão finalmente através do filtro e para fora com a corrente de 5 líquido. O número total de pares de placa (placas de apoio e dedo) pode variar dependendo da biomassa e controla a área de filtro geral. Para as mesrnas condições de separação de líquido, _mais placas / mais área de superfície é requerida 10 para poros menores. O tamanho dos pores controla a quantidade de sólidos que passa para a porção de líquido. Cada biomassa tem uma necessidade para um determinado tamanho de poro para obter uma determinada captura de sólidos (quantidade de sólidos suspensos em líquido filtrado).

15 Embora essa revelação tenha descrito e ilustrado determinadas modalidades, também é compreendido que o sistema, o aparelho e o método descrito não são restritos a essas modalidades particulares. Ern vez disso, é compreendido que todas as modalidades, que são funcionais ou equivalentes 20 mecânicas das modalidades específicas e recursos que foram descritos e ilustrados no presente documento são incluídos.

Será compreendido que, embora vários recursos tenham sido descritos em relação urri ao outro das rnodalidades, os vários recursos e modalidades podem ser combinadas ou 25 usadas em conjunção com outros recursos e modalidades conforme descrito e ilustrado no presente documento.

Claims

N" 1/7 REIVINDICAÇÕES

1. MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA SEPARAR UMA MASSA PRESSURIZADA DE FLUIDO QUE CONTÉM SÓLIDOS, caracterizado por compreendem 5 uma câmara de coleta pressurizável e pelo menos urna unidade de fíltro para separar o fluido da massa pressurizada e orientar o fluido para o interior da câmara de coleta; a sendo que a unidade de filtro defíne uma abertura - central vedada a partir da câmara de coleta para receber a

P 10 massa pressurizada e inclui um pacote de filtro que consiste em uma placa de filtro que tem uma fenda de filtro atravessante que se estende para longe a partir da abertura central para o interior da placa de filtro para direcionar o fluxo para distante da abertura central e uma placa de apoio 15 para orientar o Eluido coletado na Eenda de filtro para o interior da câmara de coleta.

2. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reívindicação 1, caracterizado em que a placa de filtro inclui uma pluralidade de fendas de filtro.

20 3. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de filtro tem uma pluralidade de pacotes de filtro empilhados um após o outro para formar um bloco de filtro que inclui uma pilha de ± pIacas de apoio e filtro alternantes e que define a abertura ' 25 central.

4. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de filtro tem um tamanho de poro de filtro pré-selecionado e a fenda de filtro define uma área de abertura que corresponde ao tamanho 30 de poro pré-selecionado.

5. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado em que a unidade de Eiltro tem um tamanho de poro de filtro pré-selecionado e uma porosidade

- ...- .

2/7 pré-selecionada, sendo que cada fenda de filtro define uma área de abertura que corresponde ao tamanho de poro pré- selecionado e cada pacote de filtro tem uma porosidade calculada a partir de uma superfície total da abertura 5 central, do tamanho de poro pré-selecionado e do núrnero de fendas de filtro, sendo que a unidade de filtro inclui diversos pacotes de filtro pelo menos iguais à porosidade J pré-selecionada/porosídade de pacote de filtro.

6. _MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de . acordo. co.m __.a . ~ 10 reivíndicação 1, caracterizado em que a fenda de filtro se amplia em uma direção distante da abertura central.

7. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a câmara de coleta tem uma camisa de pressão para alojar a unidade de filtro e 15 fechada de forma vedável em uma extremidade de admissão por uma placa de extremidade de admissão e em uma extremidade de emissão por uma placa de extremidade de emissão, sendo que o pacote de filtro é ensanduichado entre as placas de extremídade de emissão e de admissão.

20 8. MÕDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado em que a camisa de p,ressão inclui drenos separados para líquidos e gases.

W , 9. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado em que a unidade de filtro tem " 25 uma pIuralidade de pacotes de filtro empilhados um após o outro para formar um bloco de filtro que inclui uma pilha de placas de apoio e filtro alternantes ensanduichadas entre as pIacas de extremidade de emissão e de admissão.

10. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a 30 reivindicação 9, caracterizado em que cada placa de filtro inclui uma pluralidade de fendas de filtro.

11. MÕDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado em que a placa de apoio tem um recesso para definir, junto com uma face posterior da placa de filtro, uma passagem de drenagem em comunicação fluida com a cârnara de coleta e a fenda de filtro.

12. MÓDULO DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO/SÓLIDO PARA USO 5 COM UMA EXTRUSORA DE ROSCA QUE TEM UM TAMBOR DE EXTRUSÃO, UM

BLOCO DE EXTRUSORA E UMA ROSCA DE EXTRUSORA GIRATÓRIA RECEBIDA DE MODO JUSTO NO TAMBOR de EXTRUSORA, sendo que o " módulo de separação é caracterizado por compreenderú a. uma-câmara de separação pr-e-ssu-r-ízável cQr1ectável + ' 10 em urna extremidade de admissão ao tambor de extrusora e ein uma extremidade de emissão ao bloco de extrusora; e b. pelo menos um pacote de filtro na câmara de separação que define uma abertura central vedada a partir da câmara de coleta para cornunicação com o tambor de extrusora e 15 bloco de extrusora, sendo que o pacote de filtro inclui pelo menos uma pIaca de filtro que tern uma fenda de filtro atravessante que se estende a partir da abertura central para o interior da placa de filtro para direcionar os fluidos para Ionge da abertura central e pelo menos uma placa de apoio 20 para direcionar os fluidos coletados na fenda de filtro para o interior da câmara de separação.

13. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado em que a entrada, a saída, o

W

X " filtro e as placas de apoio definem uma abertura central " 25 vedada a partir da câmara de coleta para se comunicar com o tarnbor de extrusão, sendo que a placa de filtro tem pelo menos uma passagem de filtração que se comunica com e que se estende para longe da abertura central, sendo que a placa de apoio tem um recesso para orientar o líquido na passagem de 30 filtro para o interior da câmara de separação e a câmara de separação tem uma saída de drenagem para drenar os Iíquidos separados pelo pacote de filtro.

14. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, conforme definido na

- . - ,..- 4/7 reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de filtro inclui uma pluralidade de fendas de filtro com um tamanho de poro de 0,019 a 3,226 milímetros quadrados 0,019 a 3,226 milímetros quadrados (0,00003 a 0,005 ).

5

15. MÓDULO DE SEPARAÇÃO, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de filtro tem urna porosidade de 5% a 40% medida como a ãrea de poro total em relação à superfície de filtro total.

16. Módulo.. de_ _ separação, de acordo com _ as ._ m 10 reivindicações 14 ou 15, caracterizado em que a unidade de filtro é construída para operação erri uma pressão de 0,68 a 34,47 Mpa (100 a 5.000 psig).

17. Mõdulo de separação, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado em que a unidade de filtro é 15 construída para operação em uma pressão de 17,23 a 20,68 MPa (2.500 a 3.000 psig).

18. PROCESSO PARA PRÉ-TRATAMENTO CONTÍNUO DE

BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DE HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO DA BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSICO, sendo que o processo é 20 caracterizado por incluir as etapas de: misturar a biomassa em uma primeira extrusora com água ou produtos químicos de processo para fornecer uma biomassa pressurizada ou umidificada; passar a biomassa pressurizada ou umidificada da 25 primeira extrusora sob pressão para o interior de um reator vertical pressurizado para exposição a produtos químicos de processo e vapor d'água no reator vertic'al para gerar uma biomassa parcialmente pré-tratada; passar a biorriassa parcialmente pré-tratada na no reator para uma extrusão de 5 segundos e expor a 30 pressão biomassa parcialmente pré-tratada a uma pressão inaior que uma pressão no reator; remover extrativos da biomassa parcialmente tratada ..

— na segunda extrusora, opcionalmente com o uso de um líquido de lavagem, gerar uma biomassa extraída; expandír explosivamente a biomassa extraída na 5 extremidade de emissão do segunda extrusora para gerar uma biomassa expandida; e separar a biomassa expandida em sóIidos e gases.

19. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 18, ---car-acterizado em que compreende uma etapa de lavag.em antes da etapa de remoção de extrativos, sendo que a etapa de lavagem inclui a adição de um líquido de Iavagem na segunda extrusora para Iavar a biomassa parcialmente pré-tratada e fornecer uma biomassa lavada e mover o líquido de lavagem em relação a um fluxo da biomassa parcialmente tratada, para lavar a biomassa parcialmente tratada com Iíquido de lavagem limpo no fim da etapa de lavagem.

20. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado em que compreende a etapa adicional de injetar gases ou fluidos supercríticos no interior da biomassa lavada antes da expansão explosiva para aprimorar uma força explosiva na bíomassa durante a expansão explosiva.

21. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado em que inclui etapas repetidas de Iavagern e remoção de extrativos.

22. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado em que compreende adicionalmente pelo menos uma etapa de amassamento e pressurização em que a biomassa parcialmente pré-tratada é submetida na segunda extrusora a vapor d'água em pressões e temperaturas elevadas e amassada e misturada por elementos de mistura e amassamento na segunda extrusora.

23. SISTEMA PARA O PRÉ-TRATAMENTO CONTÍNUO DE

BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA ANTES DA HIDRÕLISE E FERMENTAÇÃO DA

BIOMASSA PARA ETANOL CELULÓSICO, sendo que o sistema é caracterizado por compreender urna primeira extrusora para fornecer uma alimentação de biomassa de alta pressão contínua; 5 um reator vertical pressurizado para receber a alimentação de biornassa de alta pressão da primeira extrusora e submeter a biomassa a um pré-tratamento parcial para " produzir uma biomassa parcialmente pré-tratada, sendo que a " primeira extrusora- fornece um tampão de_pressão para o reator

W 10 e o reator é mantido em uma pressão de 2,41 MPa (350 psig) e em uma temperatura de até 425 °F (220 °C); uma segunda extrusora para receber a biomassa parcialmente pré-tratada do reator na pressão de reator e submeter a biomassa parcialrnente tratada a urna pressão maior 15 que a pressão de reator da segunda extrusora que inclui múltiplos estágios, pelo menos um estágio que inclui um módulo de separação de sólido/fluido para remover fluidos da biomassa na segunda extrusora; uma vedação dinâmica na extremidade de emissão da 20 segunda extrusora para fornecer expansão explosiva de biomassa lavada que sai da segunda extrusora através da vedação; e um separador conectado à segunda extrusora para . receber biomassa expandida e separar a biomassa expandida em - 25 sólidos e gases.

24. SISTEMA, conforme definido na reivindicação 21, caracterizado em que compreende adicionalmente uma disposição de injeção de líquido de lavagem para injetar líquido de lavagem em pelo menos um estágio da segunda extrusora e a 30 montante do módulo de separação adjacente a uma extremidade de emissão da segunda extrusora;

25. SISTEMA, conforme definido na reivindicação 22, caracterizado em que a segunda extrusora inclui múltiplos

..

módulos de separação e disposições de injeção de Iíquido de lavagem para fornecer seções de lavagern consecutivas.

26. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado em que a extrusora inclui adicionalmente 5 estruturas de rriistura e amassamento para amassamento e mistura da biomassa parcialrnente pré-tratada que passa através da extrusora.

27. PROCESSO PARA TRATAR BIOMASSA, caracterizado por se"r- conforme- descrito no - pres_ente documento_ com referência à Figura 1 e que inclui uma ou mais das etapas de processo descritas.

-

1/9

':rm: Êf m 2# âít ZSj Í)"" " °: K" m ã ll jÍ) "F, °i 6 m "

" ".])!! '))))]))':)],)),"')," )|" li'i Uj.±§

, ))"'"))))')-")))")),

[ I ^—~-~-~~- ¶ 2/9

O & /'["a=="3'3Á\ . fâ kj "\\ iib_ ..--!!\.£C"_"'"'câ'\ '" 'Si'%?Í4à::'=m-r.:= \ " '\ 'UJ 2cr" ' E7 l li+~n~Tw7'"'"""T&'X""_.>\ 4" """""' ' PÇ r¶\""" 3" "m"' ' :@ \ b ,^ % ':::,, "QSEj7:z«ã:=' ¢'Ê'ígF, , "\j :":. ':8} , 3 'ízy., ,J- % ?> "'""N "'"'/-' 'Ü;iiíZ$3K,!gC)), Ç"1 " ' '""""J"tl-:'"'fÇX % ', , ""')))j)))))') 'è \j .j"":< /\ Ê\"""" " ""'g ' r ?1 7 ""'""'|}: 'Na:"í2 '"7r"~ :s 'gí (j " :í "_ ·45 ,J ":.,, :y:Lx=«="" a\ ~ t _'_:"'} X S ¢7 O , q O Q }

& '"'" " 4/9 ]i/"> \jj'( \1, 1/ \Ú \ / ,) /" ,.m . \ \jjO , :1,, ríj , ., : _ _ ., _---- j ( _ )) . I" ,3K8P,Á6tNi l:íífi|?¶'RÁ?·lrT$) \Ü ,. ~± b ph j"jt \,ú

L /ã "'\ '|l!Úq|lçi{|;|i!!i!i?'l!l!!ã||I6ll'w' 1/ p ' "") / //j"" """'"""""" 1/b,'Á@í,/L )"' '"(9 / .4.l"/'7" ·7 ' --L' ' pL "'""jt¥:ZZ&-¢: " \.

"- 'sj,,>"j ) ""' "" ""j"Í))!,)

}< . — E 7 m 5/9

M \'° \'t" ÈÁ" \-Â Q7G ,\çí ,\°jj , ' . (

P + " '""""")?/)'^/){)jL))""|'~í)i"*a, )J' "°),,"")í""'?/Ül,'!_7"["j)j)â'"',:)" È "\ '?J | ^"""~\ ;>---1 :J--~" \?76 ,//" / Y)O IYL \1/"U FlG 6 m = m u ;; d c.tá P 6 ===: — £ m: W +.

— _ Z " · =Z - I 7'j9' ^ \ào &) . "I')""'"5 l' } l gz> k (, t ) " i ""' Gy , ,) . ~ ,.,,./'"" >>, , L ,,..m,., ""="^" l"""""" « ,r ur~ """" __ """ " 7'~ , /""". g < £. fpof ) {by ¥ ,n "Y, f/ ,7 '" 'G ^" \, l 2~' / , /x-"""'""m~'""""> 1\, \ T,,, . ^'"" " \ W ^i'"j \, , ',, ,. + ^~~_ ~, jl I) Á ,r -~~ ~ "" ""' ,. jd-"' . ,/" pÇ'"

Y ^b^~ ~ 6 j.pr"" "^ pM "j"'"""6 >"r ' "~~^~*,-— -wr"'4- ,f % """"\"Y Y )-_ _, ))

Q T" " FlG 10 ")"' jOP r" - -- __- 8/9 — . lh ' ['

K Yt" ' ^_>K " NY \Ú ,/ I//" '\ µ » -c'^":\}jjjg,":(!" ' ,,,._'")))))),),,))~

P FlG 11 \> e {'j":1,b m \Ü """'kiyír"~""_""j , _, --: ";í ""jzL

A "G k d |j3 " " "7- V Y'tí \ \ '"à hj·- '/ '"\\Ç¥ : à \ \. GY t"l FlG 12 \iCc m— — -

—'~· — · — ' m "" "" 9/9 0

O

O b |,9 ! N? i)))) l)!ll_)l))l_!. uj LD < LD çq « n Ll) çq

N (0/,) eLun|o^ UJ m € U) cSj" a W¥