BR112016017762B1

BR112016017762B1 - Método de tratamento de um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos e método de tratamento contínuo de um fluxo de fermentação para remover dióxido de carbono

Info

Publication number: BR112016017762B1
Application number: BR112016017762-2A
Authority: BR
Inventors: Jean-Pierre Monclin
Original assignee: GranBio Intellectual Property Holdings, LLC
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-17
Publication date: 2023-01-10
Also published as: US20150218070A1; BR112016017762A2; US9221734B2; WO2015116411A1

Abstract

MÉTODO DE TRATAMENTO DE UM FLUXO DE FERMENTAÇÃO PARA REMOVER GASES DISSOLVIDOS; MÉTODO DE TRATAMENTO CONTÍNUO DE UM FLUXO DE FERMENTAÇÃO PARA REMOVER DIÓXIDO DE CARBONO; E SISTEMA PARA REMOVER GASES DISSOLVIDOS DE UM FLUXO DE FERMENTAÇÃO A presente invenção provê um método de tratamento um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos, compreendendo a obtenção de um fluxo de fermentação incluindo água, um ou mais produtos de fermentação e gases dissolvidos; sonicação contínua do fluxo de fermentação para gerar gases acusticamente cavitados a partir dos gases dissolvidos; e aplicação de vácuo para liberação dos gases acusticamente cavitados do fluxo de fermentação. Os gases dissolvidos podem incluir ar, oxigênio, nitrogênio, hélio, argônio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, ou outras substâncias não condensáveis. A liberação de gases acusticamente cavitados pode ser opcionalmente realizada simultaneamente com a sonicação. Pelo menos 75%, por exemplo, até 95% ou mais, dos gases dissolvidos podem ser liberados do fluxo de fermentação. O método revelado impacta positivamente as operações descendentes e a qualidade do produto pela remoção dos gases dissolvidos.

Description

DADOS DE PRIORIDADE

[001] Este pedido de patente internacional reivindica prioridade ao Pedido Provisório de Patente Norte- Americana No 61/934.409, depositado em 31 de janeiro de 2014 e ao Pedido de Patente Norte-Americana No 14/598.277, depositado em 16 de janeiro de 2015, sendo cada uma aqui incorporada por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção se refere, de modo geral, ao tratamento de fluxos de fermentação em biorrefinarias para remover gases dissolvidos, por exemplo, dióxido de carbono.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[003] Diversos processos de fermentação em biorrefinaria gerarão dióxido de carbono como um coproduto de fermentação. O dióxido de carbono ao final precisará ser removido do processo, pois não pode ficar contido no fluxo de produto final. Tipicamente, o dióxido de carbono e outros gases dissolvidos simplesmente permanecem nos caldos de fermentação até ser removido em uma coluna retificadora ou coluna de destilação.

[004] Entretanto, diversos efeitos negativos resultam do processamento convencional desta forma. Primeiro, a presença de grandes quantidades de dióxido de carbono reduz a capacidade da coluna de cerveja ou coluna retificadora. Em segundo lugar, grandes concentrações de dióxido de carbono levam à formação de ácido carbônico, reduzindo assim o pH que aumenta o potencial de corrosão e outros aspectos relacionados aos equipamentos.

[005] É desejado um método econômico para remover o dióxido de carbono e outros gases dissolvidos dos fluxos de fermentação, enquanto se preserva os rendimentos de produtos desejados (por exemplo, etanol).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] A presente invenção aborda as necessidades na técnica acima mencionadas.

[007] Em algumas variações, a revelação provê um método de tratamento de um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos, o método compreendendo: (a) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e gases dissolvidos; (b) sonicação contínua ou semicontínua do fluxo de fermentação para gerar, no fluxo de fermentação, gases acusticamente cavitados compreendendo pelo menos uma parte dos gases dissolvidos; e (c) liberação de pelo menos uma parte dos gases acusticamente cavitados do fluxo de fermentação, formando, deste modo, um fluxo de fermentação tratado.

[008] Em algumas realizações, o método (ou seja, todas as etapas) é contínuo ou semicontínuo. O método também pode ser conduzido como um processo por partida, incluindo a etapa (b) (ou seja, sonicação por partida também pode ser empregada).

[009] Em algumas realizações, o um ou mais produtos de fermentação compreende etanol. Os princípios da invenção não estão limitados a qualquer produto de fermentação em particular. A única exigência é que o fluxo de fermentação obtido de um fermentador ou de uma unidade de fluxo descendente contenha um ou mais gases dissolvidos, por exemplo, entre outros, dióxido de carbono.

[010] Em diversas realizações, os gases dissolvidos incluem um ou mais gases selecionados do grupo consistindo em ar, oxigênio, nitrogênio, hélio, argônio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, ozônio, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio, amônia, metano e cloreto de hidrogênio. Em certas realizações, por exemplo, aquelas relacionadas à produção de etanol, os gases dissolvidos incluem dióxido de carbono ou consistem essencialmente em dióxido de carbono. Evidentemente, pequenas quantidades de ar e outros traços de gases tipicamente estarão presentes em qualquer fluxo de líquido industrial.

[011] Em algumas realizações exemplares, a etapa (b) utiliza uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 1 kHz a cerca de 1000 kHz, por exemplo, cerca de 10 kHz a cerca de 500 kHz, ou cerca de 20 kHz a cerca de 100 kHz.

[012] Em algumas realizações exemplares, a etapa (b) utiliza um tempo de sonicação na faixa de cerca de 1 minuto a cerca de 24 horas, por exemplo, cerca de 5 minutos a cerca de 4 horas, ou cerca de 10 minutos a cerca de 1 hora.

[013] A liberação na etapa (c) pode ser conduzida com uma redução na pressão. Por exemplo, o método pode incluir a aplicação de vácuo ao fluxo de fermentação. Quando é empregado vácuo, a etapa (c) pode incluir uma pressão de vácuo na faixa de cerca de 0,01 bar a cerca de 0,99 bar de pressão absoluta, por exemplo, 0,1 bar a cerca de 0,95 bar, ou cerca de 0,5 bar a cerca de 0,9 bar.

[014] Alternativamente ou adicionalmente, a liberação na etapa (c) pode incluir uma retirada de vapor dos gases acusticamente cavitados. Em algumas destas realizações, a retirada de vapor utiliza um gás de varredura.

[015] Em algumas realizações, as etapas (b) e (c) são realizadas simultaneamente. Ou seja, a liberação de gases acusticamente cavitados pode ser realizada simultaneamente com a sonicação. As etapas (b) e (c) podem ser conduzidas sequencialmente, por exemplo, alternando entre sonicação e liberação de gases acusticamente cavitados (o que pode ser repetido diversas vezes). Em certas realizações, a etapa de sonicação é concluída e, então, em uma unidade separada, os gases acusticamente cavitados são liberados por vácuo ou outros meios.

[016] Em algumas realizações, pelo menos 75%, 85% ou 95% dos gases dissolvidos são liberados do fluxo de fermentação. Em algumas realizações, pelo menos 80%, 90% ou 98% dos gases dissolvidos são acusticamente cavitados. Em algumas realizações, pelo menos 85%, 95% ou 99% dos gases acusticamente cavitados são liberados. Essas frações são somente exemplares e outras realizações podem ser desejáveis onde uma fração menor (por exemplo, cerca de metade) de gases dissolvidos é acusticamente cavitada e/ou uma fração menor (por exemplo, cerca de três quartos) de gases acusticamente cavitados é liberada. Também, quando mais que um gás dissolvido está presente, a fração de cada gás que é acusticamente cavitado, com a fração de cada gás acusticamente cavitado que é finalmente liberado, pode variar de acordo com o tipo ou concentração do composto.

[017] Em algumas variações, o fluxo de fermentação é obtido a partir da fermentação de açúcares obtidos por fracionamento de biomassa lignocelulósica na presença de água, um solvente para lignina e um ácido ou precursor ácido para formar celulose, hemicelulose e lignina, seguida de hidrólise da celulose e/ou da hemicelulose para gerar os açúcares.

[018] Em algumas variações, o fluxo de fermentação é obtido a partir da fermentação de açúcares obtidos pela extração de hemiceluloses a partir da biomassa lignocelulósica na presença de vapor ou água quente, seguida de hidrólise da hemicelulose para gerar os açúcares.

[019] Em quaisquer destas realizações, o método geral pode incluir ainda a introdução do fluxo de fermentação tratado em uma coluna de destilação ou de retificação, para concentrar o um ou mais produtos de fermentação no fluxo de fermentação tratado. Em certas realizações, a liberação de gás acusticamente cavitado é integrada, pelo menos até certo ponto, com a destilação ou retificação.

[020] Em algumas realizações em particular, a revelação provê um método contínuo de tratamento de um fluxo de fermentação para remover o dióxido de carbono, o método compreendendo: (d) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e dióxido de carbono dissolvido; (e) sonicação do fluxo de fermentação a uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 20 kHz a cerca de 100 kHz e um tempo de sonicação na faixa de cerca de 10 minutos a cerca de 1 hora, para gerar dióxido de carbono acusticamente cavitado compreendendo pelo menos uma porção do dióxido de carbono dissolvido; e (f) liberação de pelo menos uma porção do dióxido de carbono acusticamente cavitado do fluxo de fermentação pela aplicação de vácuo a uma pressão na faixa de cerca de 0,5 bar a cerca de 0,9 bar de pressão absoluta, formando assim um fluxo de fermentação tratado.

[021] Em algumas realizações em particular, a revelação provê um sistema para tratar um fluxo de fermentação para remover dióxido de carbono, o sistema compreendendo:

[022] uma unidade de sonicação em comunicação com um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e dióxido de carbono dissolvido, em que a unidade de sonicação é capaz de sonicar o fluxo de fermentação a uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 1 kHz a cerca de 1000 kHz e um tempo de sonicação na faixa de cerca de 1 minuto a cerca de 24 horas, para gerar dióxido de carbono acusticamente cavitado compreendendo pelo menos uma porção do dióxido de carbono dissolvido; e

[023] uma unidade de separação capaz de liberar, sob vácuo, pelo menos uma porção do dióxido de carbono acusticamente cavitado a uma pressão na faixa de cerca de 0,01 bar a cerca de 0,99 bar de pressão absoluta.

[024] Em algumas variações, a revelação provê um sistema para remover gases dissolvidos de um fluxo de fermentação, o sistema compreendendo:

[025] uma unidade de sonicação configurada para continuamente ou semicontinuamente sonicar um fluxo de fermentação compreendendo água e gases dissolvidos, para gerar gases acusticamente cavitados compreendendo pelo menos uma porção dos gases dissolvidos; e

[026] uma unidade de separação, em comunicação operável com a unidade de sonicação, configurada para liberar pelo menos uma porção dos gases acusticamente cavitados do fluxo de fermentação.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

[027] A FIGURA 1 é um diagrama de blocos que ilustra algumas variações da invenção para tratar um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos por sonicação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE ALGUMAS REALIZAÇÕES

[028] Esta descrição permitirá que os técnicos no assunto realizem e utilizem a invenção, e descreve diversas realizações, adaptações, variações, alternativas e usos da invenção. Estas e outras realizações, características e vantagens da presente invenção ficarão mais evidentes aos técnicos no assunto quando consideradas com referência à seguinte descrição detalhada da invenção com quaisquer desenhos anexos.

[029] Conforme utilizado nesta especificação e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um,” “uma,” e “o/a” incluem referentes no plural, salvo se o contexto claramente indicar o contrário. Por exemplo, a referência à “unidade” também inclui uma pluralidade de unidades (por exemplo, reatores ou recipientes). Salvo se definido em contrário, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado como é comumente compreendido pelos técnicos no assunto aos qual a presente invenção pertence. Todos os números e faixas de variação da composição com base em percentuais são percentuais em peso, salvo indicação em contrário. Todas as faixas de variação de números ou condições devem abranger qualquer valor específico contido na faixa de variação, arredondadas para qualquer casa decimal adequada.

[030] Salvo indicação em contrário, todos os números que expressam parâmetros, condições de reação, concentrações de componentes e assim por diante, utilizados na especificação e nas reivindicações, devem ser compreendidos como modificados em todas as instâncias pelo termo “cerca de”. Assim, salvo indicação em contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos na especificação a seguir e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo pelo menos de uma técnica analítica específica...

[031] O termo “compreendendo,” que é sinônimo de “incluindo,” “contendo,” ou “caracterizado por” é inclusivo ou aberto e não exclui elementos adicionais, não mencionados ou etapas do método. “Compreendendo” é um termo da técnica utilizado na redação das reivindicações que significa que os elementos citados da reivindicação são essenciais, porém que outros elementos de reivindicação podem ser incluídos e ainda formam uma estrutura dentro do escopo da reivindicação.

[032] Conforme aqui utilizado, a frase “consistindo em” exclui qualquer elemento, etapa ou ingrediente não especificado na reivindicação. Quando a frase “consiste em” (ou variações desta) aparece em uma cláusula do corpo de uma reivindicação em vez de imediatamente após o preâmbulo, esta limita somente o elemento definido naquela cláusula; outros elementos não são excluídos da reivindicação como um todo. Conforme aqui utilizado, a frase “consistindo essencialmente em” limita o escopo de uma reivindicação aos elementos especificados ou etapas do método, e ainda aqueles que não afetam materialmente a base e a(s) característica(s) de novidade da matéria reivindicada.

[033] Com relação aos termos “compreendendo,” “consistindo em,” e “consistindo essencialmente em,” em que um destes três termos é aqui utilizado, a matéria atualmente revelada e reivindicada pode incluir o uso de qualquer um dos dois termos. Assim, em algumas realizações não explicitamente mencionadas de outra forma, qualquer caso de “compreendendo” pode ser substituído por “consistindo em” ou, alternativamente, por “consistindo essencialmente em”.

[034] Determinadas realizações exemplares da invenção serão agora descritas. Estas realizações não têm como objetivo limitar o escopo da invenção conforme reivindicada. A ordem das etapas pode ser variada, algumas etapas podem ser omitidas e/ou outras etapas podem ser incluídas. A referência aqui à primeira etapa, segunda etapa etc. é somente para fins de ilustração.

[035] A presente invenção aborda o problema do dióxido de carbono ou outros gases dissolvidos contidos em fluxos de fermentação e os impactos negativos sobre o processamento destes fluxos para recuperação de produtos de fermentação. Algumas variações são propostas na realização de que a sonicação pode ser configurada para controlar a remoção de vários gases de caldos de fermentação antes da introdução dos caldos (por exemplo, fluxo de cerveja) em uma coluna retificadora ou coluna de destilação. Em particular, a sonicação seguida por vácuo realizará a desgaseificação e removerá a maioria dos gases não condensáveis dissolvidos (CO2, ar, nitrogênio etc.) contidos no caldo de fermentação.

[036] Vários benefícios podem ser potencialmente observados em algumas realizações da invenção. Por exemplo, a remoção de CO2 (e/ou de outros gases não condensáveis) pode impactar positivamente a operação da coluna de cerveja ou da coluna retificadora. Também, a remoção de CO2 (e/ou de outros gases) pode permitir a produção de etanol (ou de outro produto) em um pH mais elevado (por exemplo, 6 ou mais), devido ao menor potencial de formação de ácido carbônico ou de outros ácidos derivados de outros gases. Por fim, a remoção de gases não condensáveis pode aumentar a capacidade do(s) condensador(es) conectado(s) à coluna de cerveja ou à coluna retificadora. A FIGURA 1 é um diagrama de blocos que ilustra algumas variações da invenção para tratar um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos por sonicação.

[037] Para os propósitos da presente revelação, o termo “sonicação” significa a aplicação de energia sonora tipicamente na faixa de frequência de 1 kHz a 1000 kHz. Para os propósitos da presente revelação, o termo “cavitação acústica” significa a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas em um líquido.

[038] Em algumas variações, a revelação provê um método de tratamento um fluxo de fermentação para remover gases dissolvidos, o método compreendendo: (a) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e gases dissolvidos; (b) sonicação contínua ou semicontínua do fluxo de fermentação, para gerar, no fluxo de fermentação, gases acusticamente cavitados compreendendo pelo menos uma porção dos gases dissolvidos; e (c) liberação de pelo menos uma porção dos gases acusticamente cavitados do fluxo de fermentação, formando assim um fluxo de fermentação tratado.

[039] Em algumas realizações, o método (ou seja, algumas ou todas as etapas) é contínuo ou semicontínuo. O método também pode ser conduzido como um processo em partida, incluindo a etapa (b), ou seja, pode ser empregada sonicação por partida.

[040] Em algumas realizações, o um ou mais produtos de fermentação compreende etanol. Os princípios da invenção não estão limitados a qualquer produto de fermentação em particular. A única exigência é que o fluxo de fermentação obtido de um fermentador ou de uma unidade de fluxo descendente contenha um ou mais gases dissolvidos (solúveis), suspensos (insolúveis) ou arrastados, por exemplo, entre outros, dióxido de carbono.

[041] Em diversas realizações, os gases dissolvidos incluem um ou mais gases selecionados do grupo consistindo em ar, oxigênio, nitrogênio, hélio, argônio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, ozônio, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio, amônia, metano e cloreto de hidrogênio. Em certas realizações, por exemplo, relacionadas à produção de etanol, os gases dissolvidos incluem dióxido de carbono ou consistem essencialmente em dióxido de carbono. Evidentemente, pequenas quantidades de ar e outros traços de gases estarão tipicamente presentes em qualquer fluxo de líquido industrial.

[042] Em algumas realizações exemplares, a etapa (b) utiliza uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 1 kHz a cerca de 1000 kHz, por exemplo, cerca de 10 kHz a cerca de 500 kHz, ou cerca de 20 kHz a cerca de 100 kHz. Em certas realizações, a frequência de sonicação é maior que 20 kHz, o que é geralmente conhecido como ultrassonicação. Em diversas realizações, a etapa (b) utiliza uma frequência de sonicação de cerca de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, ou 900 kHz, por exemplo.

[043] Em algumas realizações exemplares, a etapa (b) utiliza um tempo de sonicação na faixa de cerca de 1 minuto a cerca de 24 horas, por exemplo, cerca de 5 minutos a cerca de 4 horas, ou cerca de 10 minutos a cerca de 1 hora. Em diversas realizações, a etapa (b) utiliza um tempo de sonicação de cerca de 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 75, ou 90 minutos, ou cerca de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 18 horas.

[044] A liberação na etapa (c) pode ser realizada com uma redução na pressão. Por exemplo, o método pode incluir a aplicação de vácuo ao fluxo de fermentação. Quando for empregado vácuo, a etapa (c) pode incluir uma pressão de vácuo na faixa de cerca de 0,01 bar a cerca de 0,99 bar de pressão absoluta, por exemplo, 0,1 bar a cerca de 0,95 bar, ou cerca de 0,5 bar a cerca de 0,9 bar.

[045] Alternativamente ou adicionalmente, a liberação na etapa (c) pode incluir uma retirada de vapor dos gases acusticamente cavitados. Em algumas destas realizações, a retirada de vapor utiliza um gás de varredura. O gás de varredura pode ser o mesmo gás que um dos gases acusticamente cavitados, ou o gás de varredura pode ser diferente. Por exemplo, o gás de varredura pode ser ar para remover CO2 acusticamente cavitado. Ou o gás de varredura pode ser CO2 comprimido (por exemplo) para remover o CO2 acusticamente cavitado. O gás de varredura pode ser introduzido em altas velocidades para garantir que o gás acusticamente cavitado não redissolva no líquido ou para minimizar o próprio gás de varredura dissolvendo no líquido.

[046] Em algumas realizações, as etapas (b) e (c) são conduzidas simultaneamente. Ou seja, a liberação de gases acusticamente cavitados pode ser realizada simultaneamente com sonicação. As etapas (b) e (c) podem ser conduzidas sequencialmente, por exemplo, alternando entre sonicação e liberação de gases acusticamente cavitados (o que pode ser repetido diversas vezes, por exemplo, 1, 2, 3, 4 ou mais vezes). Em certas realizações, a etapa de sonicação é concluída e então, em uma unidade separada, os gases acusticamente cavitados são liberados por vácuo ou outros meios.

[047] Em algumas realizações, pelo menos 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95% ou mais dos gases dissolvidos são liberados do fluxo de fermentação. Para que os gases dissolvidos sejam liberados de acordo com os métodos aqui revelados, os gases acusticamente cavitados são liberados por alguns meios, por exemplo, vácuo. Portanto, a fração geral de gases dissolvidos liberados do fluxo de fermentação depende da fração que é de fato cavitada, bem como a fração dos gases cavitados que são então liberados. Por exemplo, se 90% dos gases dissolvidos iniciais forem acusticamente cavitados e 90% dos gases acusticamente cavitados resultantes forem então liberados, o rendimento dos gases dissolvidos iniciais liberados é de 81% (desprezando quaisquer gases não cavitados que podem ser liberados diretamente da solução pela aplicação de vácuo, de acordo com o equilíbrio da solução).

[048] Em algumas realizações, pelo menos 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95% ou mais dos gases dissolvidos são acusticamente cavitados. Essa fração pode variar com a gravidade da sonicação (por exemplo, a frequência ou o tempo), e pode haver um aspecto econômico ideal em termos de custo da sonicação. Também, será esperado que a fração dependerá dos gases presentes em particular, uma vez que diferentes gases terão diferente potencial de cavitação e diferentes propriedades de dinâmica dos fluidos quando cavitados. Será reconhecido que parte da fração de gases acusticamente cavitados pode ser redissolvida no líquido, dependendo, por exemplo, do tempo entre a sonicação e a liberação, do tipo de gás, das condições presentes no líquido, da temperatura, pressão, pH etc.

[049] Em algumas realizações, pelo menos 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% ou mais dos gases acusticamente cavitados são liberados. Essa fração pode variar de acordo com os meios de liberação, por exemplo, a quantidade de vácuo aplicada, a quantidade de gás de varredura, e assim por diante. Também, será esperado que a fração dependerá dos gases presentes em particular, devido à variação das pressões de vapor, difusividades etc.

[050] Essas frações são somente exemplares e outras realizações podem ser desejáveis, em que uma fração menor (por exemplo, cerca de metade) dos gases dissolvidos é acusticamente cavitada e/ou uma fração menor (por exemplo, cerca de três quartos) dos gases acusticamente cavitados é liberada. Também, quando mais que um gás dissolvido estiver presente, a fração de cada gás que é acusticamente cavitado, com a fração de cada gás acusticamente cavitado que é finalmente liberado, pode variar em função do tipo ou concentração do composto. .

[051] Em algumas realizações, a remoção de CO2 dissolvido é controlada para ajustar o pH de um fluxo de cerveja por meio da redução da presença de ácido carbônico no fluxo. Por exemplo, o pH do fluxo de cerveja pode ser ajustado a um pH de cerca de 5 a cerca de 8, por exemplo, cerca de 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, 6,0, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, ou 7,5. O pH de outros fluxos de líquido no processo pode ser controlado de maneira semelhante.

[052] Em algumas variações, o fluxo de fermentação é obtido da fermentação de açúcares obtidos pelo fracionamento de biomassa lignocelulósica na presença de água, um solvente para lignina e um ácido ou precursor ácido para formar celulose, hemicelulose e lignina, seguida de hidrólise da celulose e/ou da hemicelulose para gerar os açúcares. Algumas dessas variações estão relacionadas à tecnologia comumente denominada AVAP®.

[053] Em algumas variações, o fluxo de fermentação é obtido da fermentação de açúcares obtidos pela extração de hemiceluloses da biomassa lignocelulósica na presença de vapor ou água quente, seguida de hidrólise da hemicelulose para gerar os açúcares. Algumas dessas variações estão relacionadas à tecnologia comumente denominada Green Power+®.

[054] Em quaisquer destas realizações, o método geral pode incluir ainda a introdução do fluxo de fermentação tratado a uma coluna de destilação ou de retificação para concentrar um ou mais produtos de fermentação no fluxo de fermentação tratado. Espera-se que a remoção de gases dissolvidos não condensáveis melhore as operações da coluna de destilação ou de retificação, por exemplo, maior capacidade, menores exigências de manutenção ou outros benefícios.

[055] Em certas realizações, a liberação de gás acusticamente cavitado é integrada, pelo menos até certo ponto, com a destilação ou a retificação. Por exemplo, a coluna de destilação ou de retificação pode ser projetada para adicionalmente remover os gases acusticamente cavitados liberados em um ou mais locais. Em algumas destas realizações, uma porção dos gases acusticamente cavitados pode funcionar como um vapor de retificação em uma região da coluna, seguida pela retirada dos gases acusticamente cavitados do restante da solução ou vapor (por exemplo, etanol/água).

[056] Em algumas realizações em particular, um método contínuo de tratamento de um fluxo de fermentação para remover dióxido de carbono compreende: (a) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e dióxido de carbono dissolvido; (b) sonicação do fluxo de fermentação a uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 20 kHz a cerca de 100 kHz e um tempo de sonicação na faixa de cerca de 10 minutos a cerca de 1 hora, para gerar dióxido de carbono acusticamente cavitado compreendendo pelo menos uma porção do dióxido de carbono dissolvido; e (c) liberação de pelo menos uma porção do dióxido de carbono acusticamente cavitado do fluxo de fermentação pela aplicação de vácuo a uma pressão na faixa de cerca de 0,5 bar a cerca de 0,9 bar de pressão absoluta, formando assim um fluxo de fermentação tratado.

[057] Em algumas realizações em particular, um sistema para tratar um fluxo de fermentação para remover dióxido de carbono compreende:

[058] uma unidade de sonicação em comunicação com um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação e dióxido de carbono dissolvido, em que a unidade de sonicação é capaz de sonicar o fluxo de fermentação a uma frequência de sonicação na faixa de cerca de 1 kHz a cerca de 1000 kHz e um tempo de sonicação na faixa de cerca de 1 minuto a cerca de 24 horas, para gerar dióxido de carbono acusticamente cavitado compreendendo pelo menos uma porção do dióxido de carbono dissolvido; e

[059] uma unidade de separação capaz de liberar, sob vácuo, pelo menos uma porção do dióxido de carbono acusticamente cavitado a uma pressão na faixa de cerca de 0,01 bar a cerca de 0,99 bar de pressão absoluta.

[060] O insumo de biomassa pode ser selecionado entre madeiras de lei, madeiras coníferas, resíduos de floresta, resíduos industriais, resíduos de polpa e papel, resíduos de consumidores ou combinações destes. Algumas realizações utilizam resíduos agrícolas, os quais incluem biomassa lignocelulósica associada com cultivos de alimento, gramas anuais, cultivos de energia, ou outros insumos renováveis anualmente. Resíduos agrícolas exemplares incluem, entre outros, palhada de milho, fibra de milho, palha de trigo, bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, palha de arroz, palha de aveia, palha de cevada, MISCANTHUS, palha/resíduo de cana-energia ou combinações destes.

[061] Conforme aqui utilizado, o termo “biomassa lignocelulósica” significa qualquer material contendo celulose e lignina. A biomassa lignocelulósica também pode conter hemicelulose. Misturas de um ou mais tipos de biomassa podem ser utilizadas. Em algumas realizações, o insumo de biomassa compreende tanto um componente lignocelulósico (por exemplo, aquele descrito acima) quanto um componente contendo sacarose (por exemplo, cana-de-açúcar ou cana-energia) e/ou um componente de amido (por exemplo, milho, trigo, arroz etc.).

[062] Diversos níveis de umidade podem ser associados à biomassa de partida. O insumo de biomassa não precisa, porém pode ser relativamente seco. De modo geral, a biomassa está na forma de um particulado ou lasca, porém o tamanho de partícula não é essencial na presente invenção.

[063] Açúcares fermentáveis são definidos como produtos de hidrólise da celulose, galactoglucomanana, glucomanana, arabinoglicuronoxilanos, arabinogalactana e glicuronoxilanos em seus respectivos oligômeros de cadeia curta e produtos monoméricos, por exemplo, glicose, manose, galactose, xilose, e arabinose. Os açúcares fermentáveis podem ser recuperados na forma purificada, como uma massa fluida de açúcar ou sólidos secos de açúcar, por exemplo. Qualquer técnica conhecida pode ser empregada para recuperar uma massa fluida de açúcares ou para secar a solução para produzir sólidos secos de açúcar.

[064] Em algumas realizações, os açúcares fermentáveis são fermentados para produzir bioquímicos ou biocombustíveis, tais como, entre outros, etanol, isopropanol, acetona, 1-butanol, isobutanol, 1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol, ácido láctico, ácido succínico, ou quaisquer outros produtos de fermentação. Alguma quantidade do produto de fermentação pode ser um micro-organismo ou enzimas, que podem ser recuperados se desejado.

[065] Quando a fermentação empregar bactérias, por exemplo, bactérias CLOSTRIDIA, é preferível para ainda processar e condicionar o hidrolisado para elevar o pH e remover o SO2 residual e outros inibidores de fermentação. A sonicação utilizando os métodos aqui descritos pode ser empregada para acusticamente cavitar o SO2 residual, seguido de retificação e/ou liberação a vácuo. Alternativamente ou adicionalmente, o SO2 residual pode ser cataliticamente oxidado para converter íons sulfito residuais em íons sulfato por oxidação. Essa oxidação pode ser realizada adicionando-se um catalisador de oxidação, por exemplo, FeSO4^7H2O, que oxida os íons sulfito em íons sulfato. Preferivelmente, o SO2 residual é reduzido a menos que cerca de 100 ppm, 50 ppm, 25 ppm, 10 ppm, 5 ppm ou 1 ppm.

[066] As etapas de fermentação e destilação do processo visam a obtenção de produtos de fermentação, por exemplo, álcoois ou ácidos orgânicos. Após a remoção de produtos químicos de cozimento e lignina, e tratamento adicional (hidrólise oligomérica), o hidrolisado contém principalmente açúcares fermentáveis em solução aquosa dos quais quaisquer inibidores de fermentação foram preferivelmente removidos ou neutralizados. O hidrolisado é fermentado para produzir álcool ou ácidos orgânicos diluídos com concentração de 1% em peso até 20% em peso. O produto diluído é destilado ou de outra forma purificado como é conhecido na técnica.

[067] Quando for produzido álcool, por exemplo, etanol, parte deste pode ser utilizado para cozimento para formação de liquor na etapa de cozimento do processo quando um solvente for utilizado. Também, em algumas realizações, um fluxo de coluna de destilação, por exemplo, os fundos da coluna, com ou sem condensado do evaporador, pode ser reutilizado para lavar a celulose. Em algumas realizações, pode ser utilizada cal para desidratar o álcool do produto. Produtos secundários podem ser removidos e recuperados a partir do hidrolisado. Estes produtos secundários podem ser isolados por processamento na abertura de saída a partir da etapa de reação final e/ou no condensado a partir da etapa de evaporação. Os produtos secundários incluem furfural, hidroximetilfurfural (HMF), metanol, ácido acético, e compostos derivados da lignina, por exemplo...

[068] A lignina produzida de acordo com a invenção pode ser utilizada como um combustível. Como um combustível sólido, a lignina é similar ao carvão em termos de teor de energia. A lignina pode atuar como um componente oxigenado em combustíveis líquidos para aumentar a octanagem ao mesmo tempo em que atende aos padrões como um combustível renovável. A lignina aqui produzida também pode ser utilizada como material polimérico, e como um precursor químico para produzir derivados de lignina.

[069] A presente invenção também provê sistemas configurados para realizar os processos revelados, bem como as composições produzidas a partir deste. Qualquer fluxo gerado pelos processos revelados pode ser parcialmente ou totalmente recuperado, purificado ou ainda tratado e/ou comercializado ou vendido.

[070] Nesta descrição detalhada, é feita referência a diversas realizações da invenção e exemplos não limitativos relacionados a como a invenção pode ser compreendida e colocada em prática. Outras realizações que não proveem todas as características e vantagens aqui definidas podem ser utilizadas sem sair do espírito e escopo da presente invenção. A presente invenção incorpora experimentação de rotina e otimização dos métodos e sistemas aqui descritos. Essas modificações e variações são consideradas como estando dentro do escopo da invenção definida pelas reivindicações.

[071] Todas as publicações, patentes e pedidos de patente citados nesta especificação são aqui incorporados por referência na íntegra como se cada publicação, patente ou pedido de patente fosse especificamente e individualmente aqui apresentada.

[072] Quando os métodos e etapas acima descritos indicarem certos eventos que ocorrem em determinada ordem, os técnicos no assunto reconhecerão que a ordem de certas etapas pode ser modificada e que essas modificações estão de acordo com as variações da invenção. Além disso, algumas das etapas podem ser realizadas simultaneamente em um processo paralelo quando possível, bem como realizadas sequencialmente.

[073] Portanto, considerando que há variações da invenção, as quais estão dentro do espírito da revelação ou são equivalentes às invenções encontradas nas reivindicações anexas, o objetivo é que a presente patente inclua também tais variações. A presente invenção deve ser limitada somente pelas reivindicações a seguir.

Claims

1. MÉTODO DE TRATAMENTO DE UM FLUXO DE FERMENTAÇÃO PARA REMOVER GASES DISSOLVIDOS, o dito método é caracterizado por compreender: (a) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação, e gases dissolvidos; (b) sonicação contínua ou semi-contínua do dito fluxo de fermentação para gerar, no dito fluxo de fermentação, gases acusticamente de cavitação compreendendo pelo menos uma parte dos ditos gases dissolvidos; e (c) liberação de pelo menos uma parte dos ditos gases acusticamente de cavitação do dito fluxo de fermentação, formando, deste modo, um fluxo de fermentação tratado.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito método ser contínuo ou semi-contínuo.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos ditos um ou mais produtos de fermentação compreenderem etanol.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos ditos gases dissolvidos incluírem um ou mais gases selecionados do grupo consistindo em ar, oxigênio, nitrogênio, hélio, argônio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, ozônio, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio, amônia, metano, e cloreto de hidrogênio.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelos ditos gases dissolvidos incluírem dióxido de carbono.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (b) utiliza uma frequência de sonicação na variação de 1 kHz a 1000 kHz.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (b) utilizar um tempo de sonicação na variação de 1 minuto a 24 horas.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita liberação na etapa (c) ser conduzida com uma redução na pressão.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, o dito método é caracterizado por compreender a aplicação de vácuo ao dito fluxo de fermentação, em que a etapa (c) inclui uma pressão de vácuo na variação de pressão absoluta de 0,01 bar a 0,99 bar.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita liberação na etapa (c) incluir uma retirada de vapor dos ditos gases acusticamente de cavitação.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela dita retirada de vapor utilizar um gás de varredura.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas etapas (b) e (c) serem conduzidas simultaneamente.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas etapas (b) e (c) serem conduzidas sequencialmente.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos 75% dos ditos gases dissolvidos ser liberado do dito fluxo de fermentação.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por pelo menos 85% dos ditos gases dissolvidos ser liberado do dito fluxo de fermentação.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito fluxo de fermentação ser obtido de açúcares de fermentação derivados por fracionamento de biomassa lignocelulósica na presença de água, um solvente para lignina, e um ácido ou precursor de ácido para formar celulose, hemicelulose, e lignina, seguido por hidrólise da dita celulose e/ou dita hemicelulose para gerar os ditos açúcares.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito fluxo de fermentação ser obtido de açúcares de fermentação derivados por extração de hemiceluloses de biomassa lignocelulósica na presença de vapor ou água quente, seguido por hidrólise da dita hemicelulose para gerar os ditos açúcares.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, o dito método é caracterizado por ainda compreender introdução do dito fluxo de fermentação tratado a uma coluna de destilação ou remoção, para concentrar os ditos um ou mais produtos de fermentação no dito fluxo de fermentação tratado.

19. MÉTODO DE TRATAMENTO CONTÍNUO DE UM FLUXO DE FERMENTAÇÃO PARA REMOVER DIÓXIDO DE CARBONO, o dito método é caracterizado por compreender: (a) obtenção de um fluxo de fermentação compreendendo água, um ou mais produtos de fermentação, e dióxido de carbono dissolvido; (b) sonicação do dito fluxo de fermentação em uma frequência de sonicação na variação de 20 kHz a 100 kHz e um tempo de sonicação na variação de 10 minutos a 1 hora, para gerar dióxido de carbono acusticamente de cavitação compreendendo pelo menos uma parte do dito dióxido de carbono dissolvido; e (c) liberação de pelo menos uma parte do dito dióxido de carbono acusticamente de cavitação do dito fluxo de fermentação ao aplicar vácuo a uma pressão na variação de pressão absoluta de 0,5 bar a 0,9 bar, formando, deste modo, um fluxo de fermentação tratado.