BRPI0722418A2 - processo para o tratamento de biomassa lignocelulàsica, e sistema de prÉ-tratamento - Google Patents

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BRPI0722418A2
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Bruce E Dale
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Univ Michigan State
Dartmouth College
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Abstract

PROCESSO PARA O TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULàSICA, E SISTEMA DE PRÉ-TRATAMENTO. A presente invenção refere-se a um processo e sistema para tratamento de biomassa, que compreende a adição de vapores de amônia e vapores de água, em uma temperatura elevada, a um vaso fechado contendo biomassa, assim que carboidratos estruturais na biomassa sejam tornados mais suscetíveis à hidrólise.

Description

PROCESSO PARA O TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELUL0SICA, E SISTEMA DE PRE-TRATAMENTO
ANTECEDENTES DA INVENgAO
(1) Campo da Invengao ...
A presente invengao refere-se a um processo para
tratamento de uma biomassa lignocelulosica com hidroxido de
• · . · · · .
am0nio concentrado e preferencialmente com gas de amonia para aumentar a disponibilidade.de carboidratos estruturais (polissacarideos). E preferencialmente utilizado vapor sob pressao para extrair amonia da biomassa para reciclagem·. .Em particular, a presente invengao refere-se a um processo que permite uma conversao eficiente dos polissacarideos em monossacarideos preferencialmente atraves de hidrolise enzimatica.
(2) Descrigao da Tecnica Associada
Uma ampla variedade de metodos (por exemplo, bases ou acidos concentrados ou diluidos, altas temperaturas, radiagao de diversos tipos) foram utilizados para pre- t rat anient ο de biomassa lignocelulosica para propositos de extragao de carboidratos estruturais a serem utilizados para obtengao de monossacarideos para muitos usos diferentes·〇 objetivo destes pre-tratamentos consiste em aumentar a taxa e/ou ο rendimento em que os monossacarideos sao subseqiientemente obtidos dos carboidratos estruturais
por meios quimicos ou bioquimicos tais como catalise acida, catalise enzimatica, .fermentagao ou digestao animal. Em geral, estes pre-tratamentos nao obtiveram ο desempenho economico e tecnico desejado por varios motivos: 1) muitos pre-tratamentos degradam alguns dos agiicares, por exemplo, para . acidos ou aldeidos, dessa forma reduzindo os rendimentos e inibindo uma conversao biologies subseqiiente dos restantes agiicares; 2) quando sao utilizados produtos quimicos no pre-tratamento, e frequentemente dificil recuperar estes produtos quimicos a um custo razoavel; 3) os produtos quimicos residuais podem afetar negativamente as operagoes de conversao de jusante; e 4) a eficacia de muitos pre-tratamentos e limitada de tal forma que as conversSes finais dos carboidratos estruturais obtidos, independentemente de perda de rendimento por reag5es de degradagao de aguicar, sao inadequadas para uma economia de
processo competitiva. Desta forma, existem muitos metodos
. .' · · ■
na tecnica anterior, e estes metodos apresentam numerosas desvantagens incluindo aquelas mencionadas acima.
A obten?ao de monossacarideos suficientemente pouco dispendiosos a partir de biomassa vegetal renovavel : ρ ode tornar-se a base das industrias quimicas e de combustiveis, substituindo ο petroleo e outras materias primas de origem fossil. Sao necessarios pre-tratamentos eficazes e
economicamente viaveis para tornarem estes monossacarideos
. ‘. . .'· ·
disponiveis com altos rendimentos e custos aceitaveis.
A tecnica anterior no pre-tratamento de biomassa vegetal com solugoes de . hidroxido de amonio ou amdnia liquida anidra e muito extensa. As seguintes patentes e referencias da literatura sao ilustrativas:
Patente norte-americana n° US 4.600.590 concedida a . Dale
Patente norte-americana n0 US 4.644.060 concedida a Chou
Patente norte-americana n° US 5.037.663 concedida a Dale
10. Patente norte-americana n° US 5.171.592 concedida a
Holtzapple e outros
Patente norte-americana n° US 5.865.898 concedida a Holtzapple e outros ‘
Patente norte-americana n° US 5.939.544 concedida a Karsents e outros
Patente norte-americana n° US 5.473.061 concedida a Bredereck e outros
Patente norte-americana n° US 6.416.621 concedida a Karstens
Patente norte-americana n° US 6.106.888 concedida a
Dale e outros
Patente norte-americana n° US 6.176.176 concedida a Dale e outros
Felix, A., e outros, Anim. Prod. 51 47-61 (1990) · Waiss, A. C. , Jr., e outros, Journal of Animal
Science
No. 1, 109-112 (1972). Todas estas patentes e publicagoes sao aqui incorporadas na Integra a titulo de referencia.
Em particular, a explosao de fibras com vapor de amoniaco ("Ammonia Fiber Explosion" - AFEX) represents um pre-tratamento singular e eficaz para converter biologicamente a biomassa lignocelulosica em etanol (Dale, .B· E·, 1986. Patente norte-americana n° US 5.037.663; Dale, Β· Ε· , 1991. Patente norte-americana n° US 4·600.590; Alizadeh, H., F· Teymouri, T_ I. Gilbert, B. E. Dale, 2005· Pretreatment of Switchgrass by Ammonia Fiber Explosion [Pre-tratamento de graminea ^Switchgrassff por Explosao de Fibras com Vapor de Amoniaco].. Applied Biochemistry and Biotechnology, 121-12.4:1133-1141; Dale B. Ε. , 1191. Patente norte-americana n° US 4.600.590; Dale, B. Ε., 1986 - Patente norte-americana n° US 5.037.663)· No pre-tratamento AFEX, a biomassa lignocelulosica e exposta a ainSnia concentrada sob pressoes elevadas suficientes para manterem a amonia em fase Iiquida e com temperaturas moderadas (por exemplo, cerca de 100° C) ■ Os tempos de residencia no reator AFEX
sao geralmente inferiores reagao AFEX, a biomassa subitamente ("flashed")·〇 amonia anidra com AFEX.
a 30 minutos. Para terminar a pre-tratada e despressurizada processo AFEX nao e limitado a E adicionada alguma agua a
biomassa, de tal forma que qualquer amonia ■anidra e imediatamente convertida em uma mistura concentrada de
amonia. com agua no inicio do tratamento AFEX· A recuperagao da amonia utilizada no pre-tratamento AFEX e.um objetivo primordial na integragao de AFEX em uma concepgao mais ampla de processo de conversao de biomassa. 〇.conceito existente de recuperagao de amonia (Eggeman, T.
2001. Ammonia Fiber Explosion Pretreatment for Bioethanol Production [Pre-tratamento por Explosao de Fibras com Vapor de Amonlaco para Produgao de Bioetanol], National Renewable Energy Laboratory (NREL) Subcontract No. LCO-1-31055-01), que se encontra ilustrado na Figure 1, requer a compressao da amonia, que e vaporizada em resultado da operagao de despressurizagao "flash", e separagao da amonia liquida, que permanece em contato com os solidos pre-tratados mediante evaporagao em um secador. 0 vapor resultante, que tambem contem agua, e entao enviado para uma coluna de destilagao para purificagao da amonia. A amSnia da coluna e pressurizada por bombeamento, e juntamente com a amonia "flash" comprimida, e reciclada para ο reator AFEX. A Figura 1 ilustra a abordagem existente de recuperagao de
amonia.:,
··■ · . · A Figura 1 ilustra ο sistema 10 da tecnica anterior
incluindo um vaso reator AFEX fechado 12 no qual sao
introduzidos sob pressao biomassa, agua e amfinia. A valvule
Vi e utilizada para alivio de pressao do vaso 12, A
biomassa tratada e transferida para um secador aquecido 14.
A biomassa secada e transferida para fora do secador 14
para tratamento subseqiiente. A amonia do secador 14 e condensada pelo condensador 22 e e enviada para a coluna de pasta 16. A. agua e removida e condensada pelo condensador 18. A amonia e condensada no condensador 20 e e reciclada
para ο .vaso 12· 〇 gas de amdnia e pressurizado em um
,‘-..'.■ ■. . . . . compressor 24, condensado e reciclado para ο vaso 12.
〇 problema reside no fato de os -processos
alternativamente produzirem baixos rendimentos dos
monossacarideos e/ou requererem ‘grandes quantidades de
amonia liquida ou de solug5es de hidroxido de amonio-
OBJETIVOS
Um objetivo da presente invengao consiste portanto
na provisao de um processo que combine eficazmente-, a
‘‘ · . . . · ..... -· ■
utilizagao de hidroxido de amonio. concentrado para extragao dos carboidratos estruturais com uma reciclagem eficaz da amonia. Adicionalmente, um objetivo da presente invengao
consiste em prover um processo economico que permit a., a
• · · ■ , .
produgao de monossacarideos com elevado rendimento a partir dos carboidratos estruturais. Estes e outros objetivos irao tornar-se crescentemente aparentes mediante referenda a descrigao a s.eguir e aos desenhos.
SUM^RIO DA 工ΝνΕΝςΑ〇 A presente invengao refere-se a um processo para tratamento de carboidratos estruturais em biomassa lignocelulosica que compreende: (a) reagao da biomassa" com
uma solugao aquosa aquecida de hidroxido de amonio com uma concentragao superior a cerca de 30% por peso de am6nia em
. ... .
um. vaso fechado a 50° C ou mais a uma pressao elevada a
partir da pressao atmosferica com simultanea manipulaqao da
temperatura, uma razao de massa de amonia para uma biomassa
seca e uma razao de massa.de agua para a biomassa seca para
.... .....
aumento da digeribilidade e/ou acessibilidade dos
carboidratos estruturais; (b) alivio rapido da pressao no
vaso; (c) recuperagao de pelo menos uma parte da amonia e
hidroxido de amonio da . biomassa e da solugao; e (d)
opcionalmente processando adicionalmente a biomassa tratada
atraves de enzimas, ■ conversao microbiana ou processos
digestivos animais· Preferencialmente os carboidratos
estruturais sao recuperados como uma mistura de glicose,
xilose, arabinose . e outros agiicares na etapa (d) ■
Preferencialmente . os carboidratos estruturais sao
disponibilizados pelo tratamento adicional que consiste na
conversao microbiana que produz acidos organicos, alcoois e
........ ......
outros produtos derivados. ‘Preferencialmente os carboidratos disponibilizados pelo processo sao utilizados pelos processos digestivos animais alternativamente em dietas de animais ruminantes ou nao ruminantes. Preferencialmente a temperature da mistura de am6nia, biomassa e agua no vaso fechado situa-se entre cerca de 50° C e 120° C. Preferencialmente a pressao no vaso fechado e de entre 4 e 50 atmosferas (entre 4,1329 e 51,6613
kgf/cm2) . Preferencialmente e adicionado gas de amonia ao vaso para preenchimento de qualquer espago vazio no vaso.〇
pre-tratamento. com amonia nao solubiliza diretamente uma
■ ■ · - . ·
graride quantidade da biomassa. Cerca de 20% aproximadamente da hemicelulose (principalmente polimero de xilan) podem ser solubilizados, porem essencialmente nenhum dos polissacarideos estruturais de glican (celulose) sao solubilizados.〇 que acontece e que eles sao 、、ativados〃 ou tornados muito . mais suscetiveis. a hidr01ise· 〇 termo "carboidratos estruturais" significa celulose e hemicelulose.
A presente invengao tambem se refere a um processo para tratamento. de uma biomassa. vegetal com conteiido lignocelulosico compreendendo carboidratos estruturais com agua naturalmente presente na biomassa para produgao de carboidratos estruturais mais digeriveis ou acessiveis que compreende: (a) reagao da biomassa com uma solugao aquosa aquecida de hidroxido de:amonio em uma quantidade superior a cerca.de 30% por peso de amonia na solugao aquosa de hidroxido de amonio em um vaso fechado a uma pressao elevada e a uma temperature elevada sem degradagao da lignocelulose para remogao dos carboidratos estruturais da biomassa para a solugao, em que uma quantidade de agua provide com a biomassa e superior a 1% por peso e inferior a 50% por peso da biomassa; (b) alivio da pressao na biomassa no vaso; (c) remogao de uma pasta da biomassa com
os carboidratos estruturais do vaso; e (d) extragao da solugao de hidroxido de amonio e amonia da pasta para provisao dos carboidratos estruturais na pasta, em que e possivel recuperar mais de 85% da glicose disponivel nos carboidratos estruturais como resultado da hidrolise enzimatica dps carboidratos estruturais. Preferencialmente a amonia e reciclada · Preferencialmente os agilcares
compreendem uma mistura de xilose e glicose·
.......
Preferencialmente uma temperatura da mistura de amonia,
biomassa e agua no vaso fechado situa-se entre cerca de 50
e 1200 C. Preferencialmente e adicioriado gas de am6nia para
preenchimento de qualguer espago vazio no vaso.
Preferencialmente a pressao e aliviada rapidamente.
Preferencialmente a pressao e de entre cerca de 6,9 e 20,7
atmosferas (entre 7, 1292 e 21,3878 kgf/cm2).
A presente invenqao refere-se adicionalmente a um
processo para recuperagao de amonia de um tratamento de
explosao de fibras de amonia (AFEX) de uma biomassa
lignocelulosica que compreende: (a) tratamento da biomassa
com uma solugao aquosa de hidroxido de amdnio em um vaso de
reagao fechado sob. pressao para formagao de uma pasta; (b)
alivio da pressao no vaso de reagao e bombeamento da pasta
para uma coluna de extragao; (c) extragao de amonia de uma
parte superior da coluna de extragao, com utilizagao de •. ... vapor sob pressao com remogao de uma pasta extraida de uma
parte do fundo da coluna; (d) introdugao da amonia extraida
da parte superior da coluna em um misturador e adigao de agua sob pressao ao misturador para forma^ao de uma solugao aquosa diluida de amonia; (e) resfriamento da solugao aquosa diluida de amdnia do misturador; e (f) introdugao da solugao aquosa resfriada de amSnia no vaso de reagao juntamente ■ com a biomassa adicional sob pressao. Preferencialmente a reagao e continua· A presente invengao tambem se refere a um si sterna para realizagao do processo
conforme aqui descrito.
• . ...
A substancia e vantagens da presente invengao irao tornar-se crescentemente aparentes mediante referenda aos desenhos a seguir e ao relatorio.descritivo.
BREVE DESCRIQAO DOS DESENHOS A Figura 1 e um diagrama de fIuxo de processo de um pre-tratamento AFEX da tecnica anterior com recuperagao de amonia e reciclagem.
A Figura 2 e um diagrama de fIuxo de processo para
. .. .
a:■presente invengao para pre-tratamento AFEX com uma recuperagao de amonia eficiente.
DESCRigiAo DAS CONFIGURAQOES PREFERENCIAIS
A biomassa celulosica contem grandes quantidades de
........
carboidratos estruturais ou polissacarideos (celulose, hemicelulose, e similares) que podem proporcionar agiacares simples muito menos dispendiosos para fermentagao ou transformagao nao-biologica em uma variedade de produtos
tais como rag5es ‘ animais aperfeigoadas. Entretanto, e dificil . ο acesso a estes polissacarideos. A presente
•'
■ · ‘ . . ‘ ■
inVengao proporciona um processo de pre-tratamento com
utilizagao de hidroxido de amonio concentrado sob pressao
para aperfeigoamento da acessibilidade/digeribilidade dos
polissacarideos. de uma biomassa celulosica· A presente
..... ■ ‘,.：‘‘ ■ .
invengao utiliza preferencialmente combinagoes de amonia anidra e solugoe's concentradas de hidroxido de amSnio para obtengao de resultados que nao sao obtidos nem pelo hidroxido de amonia diluido nem pela amonia anidra atuando isoladamente.
Na presente invengao ο material lignocelulosico e tratado com hidroxido de amonio concentrado em uma
quantidade superior a 30% do peso em uma solugao de
‘ .■·■
■hidr0xido de amonio. O processo pode ser realizado em um reator continuo ou em um reator do tipo.de processamento por lotes tal como nos Exemplos.
A biomassa contem agua que se encontra naturalmente presente. Tipicamente esta agua representa cerca de 1% ate 20% por peso. da biomassa. Em geral esta agua natural tende a encontrar-se ligada a biomassa e portanto a agua com a qual se conta principalmente para utilizagao e aquela adicionada com a solugao de hidroxido de amonio. A agua pode igualmente ser adicionada a biomassa, e nesse caso ela mistura-se com ο hidroxido de amonio para provisao da solugao de hidroxido de amSnio. Ate 50% da biomassa pode
coiisistir em agua adicionada. A expressao "biomassa lignocelul0sica〃 significa um
material. baseado em celulose e lignina derivado
■.-···.
naturalmente· Esses materials consistem, por exemplo, em alfafa, palha de trigo, palha de milhof fibras de madeira, e similares. Preferencialmente os materials sao fracionados em particulas em uma dimensao mais longa.
.'·‘.:...
A expressao、、carboidratos estruturais" signifies os materiais. de polissacarideo contendo fragoes de monossacarideo disponiveis por hidrolise. A razao de massa de uma biomassa de lignocelulose
para amSnia e preferencialmente de 1 para 1.
A temperatura de reagao e preferencialmente de 90° C; entretanto a temperatura pode ser de entre 50° C e 1200 C.
A pressao e preferencialmente de entre 100 psia e
300 psi (6,9 ate 20,7 atmosferas (7, 1292 ate 21,3878 kgf/cm2) ) ； entretanto, podem ser utilizadas pressoes entre 4 e 50 atmosferas (entre 4, 1329 e 51, 6613 kgf/cm2).
Solugoes quentes de hidroxido de amonio/agua ou vapores quentes de amonia/agua podem ser adicionados para trituragao da biomassa lignocelulosica em um vaso contido para obtengao de temperatures de mistura final de 50° C ou superiores, preferencialmente 90° C. Uma razao preferencial de peso de amonia para massa de biomassa seca e de cerca de 0,2 ate 1,0· Uma razao de massa preferencial de agua para biomassa seca e de cerca de 0,4 ate 1,0. A' Figura 2 ilustra o sistema aperfeiçoado 100 com vaso reator AFEX. A pasta é enviada, diretamente para a coluna de extração 104 e o condensador no condensador 106 e é enviada para o misturador 108 para adição de água. Um vapor com alta pressão é utilizado na coluna de extração 104 para remoção da amônia da pasta. A pasta aquosa quente é removida do fundo da coluna de extração. Os condensad.ores 110 e 112 são utilizados para resfriar a mistura de amônia e água que é reciclada para o vaso 102. Mediante comparação das Figuras 1 e 2 pode ser observado que o processo é mais eficiente.
EXEMPLOS 1 ATÉ 20 Um vaso de pressão 102 com 300 ml de capacidade foi em primeiro lugar preenchido com uma determinada massa de palha de milho umedecida para o nivel de umidade desejado conforme indicado na Tabela Ieo vaso 102 foi vedado. Em seguida foi preparada uma mistura concentrada de hidróxido de amônio mediante mistura de proporções adequadas de amônia anidra e água em um outro vaso de pressão e esta mistura foi adicionada à palha de milho no vaso reator 102 de 300 ml para obtenção do nivel final desejado de amônia e água. Neste caso o objetivo era 1 kg de amônia por kg de biomassa seca e 0,6 kg de água por kg de biomassa seca. A mistura de amônia, água e biomassa foi então aquecida para 90° C, mantida a essa temperatura durante 5 minutos e a pressão foi rapidamente aliviada. O sólido resultante foi hidrolisado para misturas de monossacarideos contendo, por exemplo, glicose, xilose e arabinose.
Os resultados da presente invenção encontram-se ilustrados na Tabela 1 nos Exemplos 2 até 15. Tabela I-Rendimentos de Glicçse e Xilose de palha de milho tratada com amônia após 168 horas (7 dias) para hidrólise com uma enzima de celulose. Foram utilizadas diferentes concentrações de amônia. Todos os experimentos utilizaram 1 kg NH3:1 kg de palha seca (BM) , 90° C de temperatura de reator, o, 6 kg de água/kg de palha seca (exceto para os 4 últimos experimentos 17 até 20) e tempo de residência de 5 minutos. FPU de enzima celulase/grama de glican em BM.
N0 do E5Ç>. Kg NtVkg cte água an hidróxido de arrônio Distribuição de amcnia . Distribuição de água % Rendim. cte Glicose % Rendim. de Xilose Repetições 1 (a) 1 Toda em NH3 Toda em BM. 92,96 74,25 2 2 0,5 3/4 NH3 e 1/4 NH4OH 1/2 em NH4OH. 1/2 em BM 92,20 78, 85 2 3 . 0,5 3/4 NH3 e Í/4. NH4OH Toda em NH4OH 79,88 64,.90 • 2 4 0, 41 2/3 NH3 e 1/3 NH4OH Toda em NH4OH 86,80 70, 54 1 . 0, 58 2/3 NH3 e 1/3 NH4OH 1/2 em NH4OH 1/2 em BM 78,23 65, 83 1 6 0,5 1/2 NH3 e 1/2 NH4OH Toda em NH4OH 57, 65 47, 85 1 7 0, 8 1/2 NH3 e 1/2 NH4OH 3/4 em NH40H e 1/4 em BM 85, 50 70,37 1 8 . 0, 66 1/2 NH3 e 1/2 NH4OH 1/2 em NH4OH 1/2 em BM 97, 78 81, 98 2 9 0,79 1/2 NH3 e 1/2 NH4OH 3/4 em BM e 1/4 em NH4OH 98, 54 78,70 2 0, 38 1/3 NH3 e 2/3 NH4OH .Toda em NH4OH 74,52 56,47 1 11 .0,73 1/3 NH3.e 2/3 NH4OH.' 1/2 em NH4OH 1/2 em BM 81,51 69, 66 1 12 0,66 Toda em NH4OH Toda em NH4OH 71,00 57, 00 2 13 0,75 Toda em NH4OH 1/2 em NH4OH 1/2 em BM 96,78 79,00 3 14 0,88 Toda em NH4OH 3/4 em NH4OH e 1/4 em BM 97,11 79,00 .2 0,72 Toda em NH4OH 1/4 em NH4OH e 3/4 em BM 88,31 75,37 2 16(b) 0,3 Toda em NH4OH 2,3 g de água por g de BM. . 83,58 68,18 1 17 (b) 0,15 Toda em NH4OH 5,6 g de água por g de BM 70,50 42,46 1 18 (b) 0,1 Toda em NH4OH. 9 g de água por g de BM 64,85 49,31 1 19 (b). .. 0,05 Toda em NH4OH 19 g de água por g de BM 51,26 39,32 1 (c) Controle Sem amônia Não aplicável 29,5 17,5 2 CtesnEção: Ps ptsssões situHrt-ss en ura feba cte cerca cfe 100 p=da (7,0306 kgfrtn?) até cara cte 300 psda (21,0920 kgÇ/crf) exceto para cs Bçs. 1&-19, qjs feran realiscfcs canpBSsão atmosférica
(a) O Exemplo Comparativo 1 ilustra o processo AFEX
descrito nas patentes norte-americanas n° US 4.600.590 e n° US 5.037.663 concedidas a Dale, exemplificado na Figura 1. Os Exemplos Comparativos 16 até 19 (b) ilustram os resultados sob pressão atmosférica com hidróxido de amônio. 0 Exemplo 20 (c) ilustra o processo sem amônia.
A Tabela 1 ilustra os resultados para a conversão de palha de milho para glicose e xilose após tratamento com amônia e água. A quantidade total de água, amônia e biomassa e a temperatura do sistema são idênticas em t.odos os casos. A biomassa foi tratada com 1 kg de amônia por 1 de biomassa seca (a palha de milho não tratada tinha um teor de umidade de cerca de 15% de base seca). Os experimentos foram realizados a 90° C com um tempo, de permanência de cinco minutos a essa temperatura e o material tratado do Exemplo 1 foi hidrolisado com 15 unidades de papel de filtro de celulose por grama de celulose na palha. Do ponto de vista das condições finais as quais a palha foi submetida, estas condições foram idênticas.
As primeiras duas (2) colunas da Tabela ilustram como isto foi feito.· Por exemplo, a coluna "Adição de Amônia" mostra se -a amônia (como NH3) foi adicionada na forma de amônia anidra ou na forma de hidróxido de amônio (amônia em água) . Por exemplo, "toda em NH3" significa que toda a amônia foi adicionada à biomassa como amônia liquida anidra tal como no Exemplo 1 diretamente do tanque de pressão. "Toda em NH40H" significa que toda a amônia foi adicionada como hidróxido de amônio aquoso.
A segunda coluna mostra se a água foi adicionada à palha diretamente ou se foi adicionada como parte do hidróxido de amônio. Na primeira linha, "toda em NH3" e "Toda a água em BM" significa que toda a amônia foi adicionada como anidra e toda a água se encontrava na biomassa tal como no Exemplo 1. 0 último grupo de linhas é para "Toda em NH4OH" significando que toda a amônia foi adicionada como hidróxido de amônio e a água foi adicionada alternativamente à palha ou com o hidróxido de amônio.
Assim, dependendo de como a amônia e a água foram adicionadas, são obtidos resultados muito diferentes. Uma conversão de oitenta e cinco por cento (85%) de celulose para glicose é utilizada como o valor mínimo para um processo de custo competitivo.· Utilizando-se esse critério, a coluna final ilustra a % de rendimento após 168 horas de hidrólise tanto para glicose (G) quanto para xilose (X). O critério de 85% não. foi alcançado em nenhum caso em que toda a água foi adicionada na forma de hidróxido de amônio (hidróxido de amônio comparativamente mais diluído).
7 É aparente da Tabela 1 que a concentração de amônio é importante. A água naturalmente associada com a biomassa não atua como água livre disponível para diluir a amônia.
As características específicas do processo de acordo com a presente invenção que tornam o mesmo mais vantajoso que os métodos da técnica anterior são as seguintes: (1) o processo não degrada quaisquer carboidratos da biomassa e dessa forma o rendimento não é comprometido pelo pré-tratamento; (2) são obtidos rendimentos gerais elevados de glicose (perto de 100% do rendimento teórico) e 85% dos rendimentos teóricos de xilose; (3) são necessárias baixas taxas de aplicação de enzimas hidrolíticas que seriam de outra forma dispendiosas para obtenção destes rendimentos, (4) a amônia residual pode servir como fonte de nitrogênio para subseqüentes fermentações ou operações de alimentação de animais; (5) a biomassa tratada e os polissacarideos podem ser alimentados em niveis de sólidos muito elevados para operações de processo subseqüentes, dessa forma aumentando a concentração de todos os produtos e reduzindo a despesa de produção de outros produtos químicos dos polissacarideos; e (6) a utilização de combinações de hidróxido de amônio e amônia é muito adequada para operações de recuperação de
amônia... .....
Os mercados que podem utilizar esta invenção incluem: (1) a indústria química norte-americana que começa a afastar-se do petróleo como fonte de matérias primas químicas e tem interesse em monossacarídeos pouco dispendiosos como produtos químicos de plataforma para novos processos sustentáveis; (2) a indústria de fermentação, particularmente a indústria de produção de etanol combustível que tem igualmente interesse em açúcares pouco dispendiosos derivados de biomassa vegetal; e (3) a indústria de rações para animais que é fortemente afetada pelo custo de calorias/carboidratos disponíveis para fabricação de rações animais de diversos tipos.
0 Exemplo 16 a seguir descreve duas (2) características de projeto que reduzem os requisitos de energia de processo relativamente aos projetos existentes de recuperação de amônia para pré-tratamento AFEX: (1) extração com vapor de material pré-tratado; e (2) condensação por têmpera em água de vapor de amônia. A Figura 2 apresenta uma · folha de fluxo de processo destas características no contexto do projeto mais amplo de pré- tratamento AFEX.
Extração por Vapor de Material Pré-tratado
: Após o pré-tratamento AFEX ter sido completado, o material pré-tratado é submetido a uma queda súbita de pressão ("flashed") para uma pressão mais baixa, tal como no projeto existente. Diferentemente do projeto existente, entretanto, a presente invenção utiliza extração por vapor dos sólidos pré-tratados resultantes para recuperação de amônia residual. Esta característica permite a eliminação de secagem de sólidos que requer utilização de muita energia e que é utilizada no projeto da Figura 1. O equipamento de processamento pode ser similar àquele utilizado para secagem direta por vapor de sólidos para o qual existe um número crescente de exemplos comerciais (Kudra, T., A. S. Mujumdar, 2002. Advanced Drying Technologies, New York, NY: Mareei Dekker, Inc.; Pronyk, C., S. Cenkowski, 2003. "Superheating Steam Drying Technologies", ASAE Meeting Presentation, Paper Number RRVO3-0014.).
25 Condensação de Vapor de Amônia por Têmpera em Água
0 vapor de amônia proveniente da coluna de extração de vapor de recuperação de amônia é combinado com vapor de amônia proveniente da operação de "flash" pós-AFEX e é condensado mediante adição em primeiro lugar de água ao misturador com subseqüente resfriamento indireto da solução aquosa em duas etapas, primeiro com água de resfriamento, e em seguida com água gelada. A mistura aquosa condensada é então pressurizada através de bombeamento liquido e reciclada para o reator AFEX. Estas etapas eliminam a necessidade de compressão do vapor de amônia conforme ocorre no projeto da Figura 1.
Utilidade da Invenção
Com base em simulações de processo realizadas com o software Aspen Plus (um software de modelagem disponível comercialmente) do processo das Figuras 1 e 2, a presente invenção requer significativamente menos energia de processo que o projeto existente, conforme se encontra indicado na Tabela 2. Adicionalmente, é previsto que a invenção venha também a produzir como resultado custos de processamento mais baixos. Tabela 2. Comparação de requisitos de energia de processo: projeto proposto em comparação com o projeto existente para pré- tratamento AFEX com recuperação de amônia.1'2
Projeto da Figura 1 Energia Requerida Projeto da Figura 2 Energia Requerida Fluxò de Energia (% matéria prima LHV) (% matéria prima LHV) Vapor para o secador 7,73% — Vapor para coluna de NH3 2,87% 3,82% Energia para o compressor · 0,02% — Energia para a unidade de água gelada 0,14% TOTAL 10,62% 3,96%
Energia necessária para alcançar a temperatura de reação
AFEX atendida inteiramente pelo calor da mistura entre amônia e água no reator.
Ambos os projetos utilizam as mesmas cargas de amônia e água: 0,3 g de NH3/g de biomassa; 0,5 g de H20/g de biomassa.
Muito embora a presente invenção tenha sido aqui
descrita com referência a configurações ilustradas, deverá ser entendido que a invenção não se encontra limitada às mesmas. Aqueles que são normalmente versados na técnica e têm acesso aos ensinamentos aqui contidos poderão reconhecer configurações e modificações adicionais dentro do escopo das mesmas. Désta forma, a presente invenção é limitada somente pelas reivindicações em anexo.

Claims (6)

1. PROCESSO PARA TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA, caracterizado por compreender: adição de vapores de amônia e vapores de água, em uma temperatura elevada, a um vaso fechado contendo biomassa lignocelulósica, assim que carboidratos estruturais na biomassa lignocelulósica sejam tornados mais susceptíveis à hidrólise.
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma temperatura da mistura final no vaso fechado ser de 500C ou acima.
3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a temperatura da mistura final ser de cerca de 90°C.
4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma relação em peso entre amônia nos vapores de amônia e biomassa lignocelulósica seca se situar entre cerca de .0,2 e 1.
5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a relação se situar entre cerca de 0,4 e 1.
6. SISTEMA DE PRÉ-TRATAMENTO, caracterizado . por compreender: um vaso fechado para conter biomassa lignocelulósica, vapores de amônia e vapores de água a uma temperatura elevada, no qual carboidratos estruturais na biomassa lignocelulósica. são tornados mais suscetíveis à hidrólise, e ainda por uma relação em peso entre amônia nos vapores de amônia e biomassa lignocelulósica seca se situar entre cerca de 0,4 e 1.
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