BRPI0709137A2 - métodos de sìnteses de combustìvel de biomassa para eficiência de energia aumentada - Google Patents

Abstract

MéTODOS DE SìNTESE DE COMBUSTìVEL DE BIOMASSA PARA EFICIêNCIA DE ENERGIA AUMENTADA. A presente invenção refere-se a um método de alta eficiência para sintetizar combustíveis de biomassa alavancando o impacto sinérgico de líquidos iónicos sobre tanto os aumentos significativos em pré-tratamento de biomassa quanto a utilização da combinação de líquidos iónicos e diáxido de carbono sob condições supercríticas para geração de energia. O uso estratégico de trocadores de calor, preferencialmente trocadores de calor de microcanais e reatores de microcanais adicionalmente aumentam a eficiência e a performance do sistema por extensiva recuperação de calor e a utilização direta da solução de biomassa como o fluido de trabalho de um ciclo termodinâmico.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOSDE SÍNTESE DE COMBUSTÍVEL DE BIOMASSA PARA EFICIÊNCIA DEENERGIA AUMENTADA".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se à síntese de combustíveis de bi-omassa utilizando fluidos supercríticos e líquidos iônicos e uma série de mé-todos de processos supercríticos que possibilitam conversão de alta eficiên-cia de energia e transformação para combustíveis alternativos incluindo bio-combustíveis.

Antecedentes

Etanol de celulose requer métodos de pré-tratamento mais a-vançados porque os componentes de carbono do açúcar - celulose e hemi-celulose - são muito mais difíceis de hidrolisar economicamente em açúca-res fermentáveis. Depois da celulose e a hemicelulose terem sido sacarifica-das, o restante do processo de produção de etanol é similar ao etanol decereais. A hidrólise (sacarificação) decompõe as ligações de hidrogênio nasfrações de hemicelulose e celulose em seus componentes de açúcar: pento-ses e hexoses. Estes açúcares podem ser então fermentados em etanol.

Líquidos iônicos "IL" podem afetar a dissolução de celuloses deuma variedade de fontes incluindo plantas, fibroína da seda, e lã sem degra-dação dos solutos. No caso da celulose, o mecanismo de solvação é propos-to para envolver a interação dos íons cloreto de IL1 os quais são não-hidratados e estão em uma concentração de aproximadamente 20% em pe-so.

Estudos de 13C RMN de alta resolução de celulose e oligômerosde celulose dissolvidos no líquido iônico (IL) cloreto de 1 -butil-3-metilimidazólio ([C4mim]CI) mostram que os oligômeros de glicose b-(1A4)-encadeada são desordenados neste meio e têm um comportamento confor-macional o qual é paralelo ao observado em água, e portanto, revelam que opolímero é desordenado em solução de IL também.

Os íons de cloreto presentes em soluções de [C4mim]CI, osquais são não-hidratados e estão em uma concentração de aproximada-mente 20% em peso, rompem de modo eficaz a extensiva rede de ligaçãohidrogênio do polissacarídeo interagindo com seus grupamentos oxidrila,deste modo promovendo dissolução da celulose sem degradação aparentedas ligações glicosídicas. De modo a melhor entender como [C4mim]CI afetaa dissolução da celulose, o comportamento conformacional do polissacarí-deo na solvatação por este IL precisa ser investigado.

ILs são capazes de dissolver carboidratos variando de simplesaçúcares até polissacarídeos. Alguns dos melhores resultados a este respei-to têm sido obtidos com [C4mim]CI. Conforme mostrado recentemente, osíons de cloreto não hidratados presentes em soluções destes IL solvatamcarboidratos formando ligações de hidrogênio com seus grupamentos oxidri-la. Por exemplo, soluções de celulose em concentrações de até 25% empeso podem ser obtidas com [C4mim]CI.

Líquidos iônicos incluindo cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio("Ionic Iiquids as green solvents: Engineering new bio-based materiais? deRichard P. Swatloski1 John D. Holbrey, Scott K. Spear, e Robin D. Rogers,Department of Chemistry and Center for Green Manufacturing, The Univer-sity of Alabama1 Tuscaloosa, AL 35487); "Use of ionic Iiquids in the study offruit ripening by high-resolution CRMN spectroscopy: 'green' solvents meetgreen bananal de Diego A. Fort et al. recebido (em Columbia, MO, EUA) 23de outubro de 2005, primeiro publicado como um Artigo Adiantado na webem 19 de janeiro de 2006 em que polpas de banana em qualquer estágio deamadurecimento podem ser completamente dissolvidas em sistemas solven-tes à base de do líquido iônico cloreto de (IL) 1-n-butil-3-metilimidazólio([C4mim]CI).

Jose Iborra da Universidade de Murcia na Espanha e outros usa-ram adicionalmente uma combinação de dióxido de carbono supercrítico elíquidos iônicos para ajudar um enzima a transformar algumas moléculasorgânicas. Infelizmente, enzimas tipicamente não trabalham bem em dióxidode carbono. Portanto o grupo de Iborra projetou um reator bifásico no qualas matérias-primas orgânicas são dissolvidas em dióxido de carbono super-crítico e passadas através de uma câmara contendo uma enzima de Ievedu-ra dissolvida em um líquido iônico.

Existe uma ampla gama de processos de pré-tratamento incluin-do os seguintes:

A Patente dos Estados Unidos N9 6.267.309 para "Municipal so-lid waste processing facility and commercial ethanol production procesé' pa-ra Chieffalo1 et al. utiliza ácido sulfúrico concentrado como um meio para so-Iubilizar a celulose dentro de uma etapa de pré-tratamento.

A Patente dos Estados Unidos N9 5.135.861 para "Method forproducing ethanol from biomasé' para Pavilon utiliza uma mistura de bio-massa e água que subseqüentemente produz dióxido de carbono "C02" co-mo um subproduto. O subproduto dióxido de carbono do produto de fermen-tação inicial subseqüentemente ajuda a conversão da biomassa por hidrólisecatalítica. A patente N9 5.135.861 além disso limita a pressão operacionalbem abaixo da pressão supercrítica de C02.

O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920020164731 para "Process for the simultaneous production of xylitol andethanol' para Eroma, Olli-Pekka et al. utiliza processos de pré-tratamentotradicionais para hidrolisados de biomassa selecionados entre o grupo con-sistindo em hidrólise ácida direta da referida biomassa, pré-hidrolisado enzi-mático obtido por pré-hidrólise da referida biomassa com vapor ou ácidoacético, hidrólise ácida de pré-hidrolisado obtido por pré-hidrólise da referidabiomassa com vapor ou ácido acético, autohidrólise usando água ou vapor,e um processo de polpação de sulfito.

A Patente dos Estados Unidos N9 5.711.817 para "Method forthe continuous conversion of cellulosic material to sugai" para Titmas utilizagravidade como um meio para aumentar a pressão do fluxo de líquido dematerial celulósico (a./c.a. pasta semifluida de biomassa) de modo a aumen-tar a eficiência termodinâmica.

O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920050069998 para "Procedure for the production of ethanol from Iignocellu-losic biomass using a new heat-tolerant yeasf para Ballesteros Perdices,Ignacio et al. utiliza pré-tratamento por explosão de vapor tradicional em coma combinação de celulase (CELLUCLAST 1.5L, da NOVO-NORDISK) e be-ta.glucosidase (NOVOZYME 188 da NOVO-NORDISK) e cultura da leveduratermo-tolerante Kluyveromyces marxianus CECT 10875.

A Patente dos Estados Unidos Ne 6.090.595 para "Pretreatmentprocess for conversion of cellulose to fuel ethanot' para Foody1 et al. utilizaum pré-tratamento aprimorado variando a matéria-prima com uma razão dearabinoxilano para total de polissacarídeos não amido (AX/NSP) de mais doque cerca de 0,39, ou uma matéria-prima seletivamente produzida com baseem uma razão aumentada de AX/NSP em relação a um material de matéria-prima de partida, e reagindo em condições que rompem a estrutura das fi-bras e hidrolisam uma porção da celulose e hemicelulose. O pré-tratamentoem toda outra maneira permanece tradicional em que o pré-tratamento érealizado com um dispositivo de explosão de vapor ou extrusão durante aetapa da reação.

O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920040231661 para "Method of processing Iignocellulosic feedstock forenhanced xylose and ethanol productiorí' para Robert Griffin et al. utilizamúltiplas etapas iniciando com lixiviação de uma matéria-prima lignocelulósi-ca rompida mecanicamente antes de qualquer pré-tratamento da matéria-prima e terminando com reação da referida matéria-prima acidificada sobcondições as quais rompem a estrutura das fibras e hidrolisam uma porçãode hemicelulose e celulose da referida matéria-prima acidificada, para pro-duzir uma composição compreendendo xilose e uma matéria-prima pré-tratada. A reação de matéria-prima acidificada sob condições que rompem aestrutura das fibras é contemplada no método do requerimento Nq20040231661 e pode sr realizada de acordo com qualquer método conheci-do na técnica, por exemplo, mas não limitado a pré-tratamento por explosãode vapor.

A Patente dos Estados Unidos N9 6.824.599 para uDissolutionand processing of cellulose using ionic liquida para Swatloski et al. utiliza ummétodo para dissolver celulose que compreende misturar celulose com umlíquido iônico fundido que é fundido em uma temperatura de cerca de -10 acerca de 100 graus Celsius e na ausência substancial de água ou uma basecontendo nitrogênio para formar uma mistura. Além disso, a Patente Ne6.824.599 revela um método para dissolver celulose que compreende asetapas de: (a) misturar celulose com um líquido iônico consistindo em cá-tions e ânions na ausência substancial de água para formar uma mistura, emque o referido líquido iônico é fundido em uma temperatura de cerca de -44graus C. a cerca de 120 graus C. em que os referidos cátions contêm umúnico anel de cinco membros que é livre de fusão a outras estruturas do anele os referidos ânions são halogeno, pseudohalogeno, ou C.sub.1 -C.sub.6carboxilato; (b) irradiar a referida mistura com radiação de microondas paraauxiliar na dissolução. As expressões "ausência substancial" e "substancial-mente livre" são usadas de modo sinônimo para indicar que menos de cercade 5 por cento em peso de água está presente, por exemplo. Mais preferen-cialmente, menos de cerca de um por cento de água está presente na com-posição. O mesmo significado é pretendido com relação à presença de umabase contendo nitrogênio. Celulose pode ser dissolvida em derivação emalta concentração em líquidos iônicos aquecendo a cerca de 100 graus C.,aquecendo a cerca de 80 graus C. em um banho ultra-sônico, e de modomais eficaz usando aquecimento por microondas das amostras usando umforno de microondas doméstico. Usando um aquecedor de microondas, épreferencial aquecer a mistura de líquido iônico hidrofílico e celulose até umatemperatura de cerca de 100 graus a cerca de 150 graus C. Aquecimentopor microondas reforça significativamente a dissolução de celulose em líqui-dos iônicos. A dissolução induzida por microondas de celulose em líquidosiônicos é um processo muito rápido de modo que o decaimento do grau depolimerização é reduzida. Sendo um processo relativamente rápido, dissolu-ção é eficiente em termos de energia. O aquecimento das amostras geral-mente é requerido para permitir dissolução. O efeito deste aquecimento po-de ser permitir que líquido iônico solvente penetre na parede da fibra, o quepermite o rompimento da fibra e estrutura de microfibrila e ligação de hidro-gênio competitiva com água encapsulada. Líquidos iônicos são aquecidos demodo muito eficaz sob condições de microondas. Deste modo, podem serobtidas temperaturas altamente localizadas que promovem dissolução decelulose rompendo a forte ligação de hidrogênio mediada por água das ca-deias poliméricas naturais. Foi visto que celulose foi precipitada da soluçãode líquido iônico pela adição de água. Quando o teor de água do líquido iô-nico foi maior do que cerca de 1 por cento em peso (aproximadamente 0,5mol de fração H.sub.2 O), as propriedades solventes foram significativamen-te prejudicadas e foi visto que celulose fibrosa não era mais solúvel.

A produção de etanol a partir da fermentação de materiais celu-lósicos tais como grãos é de conhecimento geral. O processo não é eficaz,mas é capaz da produção de quantidades muito grandes em um custo bas-tante razoável. O processo tem a vantagem adicional de produzir o produtomundialmente e remeter este para outros mercados conforme necessário.Há duas características importantes do processo: uma é a necessidade decalor. O processo de fermentação requer temperaturas constantes para aatividade biológica de enzimas e microorganismos para realizar a conversão.A segunda característica é a produção de dióxido de carbono (CO.sub.2) apartir da própria fermentação, mas também a partir do uso de combustíveisfósseis para aquecer o processo. A captura do CO.sub.2, também referidonas partes que se seguem como "C02", é esporádica entre os produtores,resultando em uma significativa contribuição global para o conjunto de gásestufa da indústria.

Os produtos da fermentação são etanol e dióxido de carbono,produzidos em proporção de 1:1 conforme entendido de modo geral por a-queles versados na técnica.

A pasta semifluida de biomassa é hidrolisada em um aquecedorde hidrólise de explosão de combustível inflamado. Quando a biomassa éresíduo de frutas, o ácido orgânico no resíduo é usado como o catalisadorde hidrólise. Quando a biomassa não contém ácido orgânico, dióxido de car-bono produzido em um fermentador é introduzido no aquecedor de hidrólisecomo ácido carbônico para proporcionar o catalisador.

Também é amplamente conhecido na técnica que catalisadoresaceleram uma ampla gama de reações químicas. Os catalisadores referidosincluem catalisadores de ácido diluído conforme selecionado entre o grupoconsistindo em H.sub.2 SO.sub.4, HCI, HNO.sub.3, SO.sub.2 ou qualquerácido forte o qual produz valores de pH abaixo de cerca de 3, e catalisado-res de sais de metal conforme selecionado entre o grupo consistindo em sul-fato ferroso, sulfato férrico, cloreto férrico, sulfato de alumínio, cloreto de a-lumínio, e sulfato de magnésio, Ni/Co, Rh/Ce0.sub.2/M, onde M representaSiO.sub.2, Al.sub.20.sub.3 ou ZrO.sub.2, catalisadores de Ni sobre suportesde zeólitos (o uso de zeólitos como suportes inibiu a formação de alcatrãomas promoveu a deposição de carbono).

Pré-tratamento - Desde 1919, quando Beckmann patenteou umpré-tratamento alcalino baseado em impregnação com hidróxido de sódio, oqual aumentou a digestibilidade de palha, foram desenvolvidos muitos pré-tratamentos para materiais lignocelulósicos. Dos pré-tratamentos testados,os processos hidrotérmicos parecem estar entre os mais eficazes para me-Ihorar a acessibilidade destes materiais. Um exemplo destes processos hi-drotérmicos é descrito na patente espanhola da Shell International ResearchES87/6829, a qual usa vapor em uma temperatura de 200 a 250 graus Cel-sius em uma reator selado hermeticamente para tratae biomassa previamen-te triturada.

Tratamento de explosão de vapor descontínuo foi patenteadoem 1929 por Mason (Patente dos Estados Unidos Ne 1.655.618) para a pro-dução de painéis de madeira, e combina um tratamento térmico com vapor ea desorganização mecânica de fibra lignocelulósica. Neste processo, as las-cas de madeira são tratadas com vapor em uma pressão de 3,5 MPa oumaior, em um cilindro de aço vertical. Uma vez que o tratamento seja com-pletado, o material é violentamente descarregado da base do cilindro. Esteprocesso combina os efeitos sobre o material lignocelulósico de altas pres-sões e temperaturas junto com a descompressão final e súbita. No processode explosão de vapor descontínuo desenvolvido pela IOTECH Corporation,conhecido como "hidrólise por cintilação", a madeira é triturada para um pe-queno tamanho de partícula e submetida a temperaturas e pressões próxi-mas a 230 graus Celsius e 3,5 MPa (500 psi), e uma vez que estas condi-ções são atingidas, subitamente é descarregada do reator.

Glicose pode servir ou como uma matéria-prima para conversãobioquímica (isto é, fermentação) para produtos de maior valor tais como ál-cool ou ácidos orgânicos, ou pode ser convertida quimicamente (usandoprocessos catalíticos) para produtos tais como ácido levulínico, sorbitol, eoutros polióis ou glicóis.

Os pesquisadores já desenvolveram catalisadores aprimoradosque permitem conversão de açúcares de custo eficaz que não são recupera-dos durante o processamento de alimento em químicos importantes denomi-nados polióis. Cerca de quatro milhões de toneladas de polióis são vendidosa cada ano nos Estados Unidos, essencialmente usados em produtos comoanticongelante, fibras de poliéster, cosméticos e plásticos. Polióis podem serproduzidos a partir de açúcares à base de plantas de modo muito mais efi-caz em termos de energia e de custo eficaz do que a partir de petróleo, queé como são produzidos atualmente.

Todas as formas de biomassa têm os mesmos componentesprincipais -- celulose, hemicelulose, e lignina. Celulose é a maior fração (40a 50%), hemicelulose vem em seguida (20 a 30%) e lignina é geralmente 15a 20% da biomassa. A celulose é composta de polímeros lineares do açúcarde seis carbonos glicose encadeado por 1,4 ligações glicosídicas. Hemicelu-lose é um complexo de essencialmente açúcares de cinco carbonos, cujamaioria são xilose e arabinose. Lignina é um material heterogêneo poliméri-co complexo composto de anéis benzeno substituídos variadamente.

Eletricidade também é um co-produto da produção de etanol ge-rado na taxa de 2,28 kWh por galão de etanol ou 68.692 MJ de eletricidadepor hora. O valor da energia para etanol e o co-produto eletricidade é cercade 6 χ 1011 MJ/ano.

O processo de conversão de palha de trigo gera tanto etanolquanto eletricidade e requer uma quantidade pequena de energia não reno-vável para produção de matéria-prima, transporte, conversão, distribuição eliberação para o usuário final. Devido à produção de eletricidade, o processode conversão de fato produz um fluxo negativo de uso de energia não reno-vável de -0,109 MJ por milha dirigida para E100 comparado com 5,84 MJ deenergia não renovável por milha para gasolina.

É amplamente de conhecimento na técnica que ácidos ajudamna solubilização de celulose incluindo ácido sulfúrico.

Também é amplamente de conhecimento na técnica que enzi-mas devem ser estabilizadas, especialmente quando utilizadas em fluidossupercríticos. Enzimas típicas incluem CALB imobilizadas (Novozyme), con-forme mencionado no ensaio intitulado uSingIe-Enzyme Nanoparticles Armo-red by a Nanometer-Scale Organic/lnorganic Network' por Jungbae Kim etal. do Pacific Northwest National Laboratory, 902 Battelle BIVd., P.O. Box999, Richland1 Washington 99352; onde enzimas incluem celulase (CELLU-CLAST 1.5L, da NOVO-NORDISK), e a enzima .beta.-glucosidase é NO-VOZYME 188 (NOVO-NORDISK). !mobilização pode adicionalmente aumen-tar a estabilidade enzimática incluindo a utilização de carregadores selecio-nados entre o grupo consistindo em sílicas, zeólitos, aluminas e caulins.

Também é amplamente de conhecimento na técnica que a utili-zação de enzimas resistentes a alta temperatura (por exemplo, leveduratermotolerante Kluyveromyces marxianus CECT 10875) reforçam a produti-vidade e a economia da síntese de combustível.

Também é amplamente de conhecimento na técnica que técniasde separação incluem filtração reconhecida como microfiltração, ultrafiltra-ção, e nanofiltração.

Também é amplamente de conhecimento na técnica que com-bustíveis alternativos também incluem a produção de metitetraidrofurano apartir do ácido levulínico, combustível de celulignina catalítica (Patente dosEstados Unidos Nq 6.855.180 para "Catalytic cellulignin fuel" para Pinatti, etal.) incluindo furfural e ácido levulínico de lignocelulose.

Também é de conhecimento geral na técnica que o "Develop-ment of the Batch-Type and Flow-Type Supercritical Fluid Biomass Conver-sion Systemé' por D. Kusdiana1 E. Minami, K. Ehara, e S. Saka do KyotoUniversity International Symposium On Post-Petrofuels in the 21 st CenturyProspects in the Future of Biomass Energy, Sep. 3-4, 2002, Montreal, Que-bec, Canadá, pp.276-279 comprovou que a celulose foi hidrolisada na águasupercrítica para glicose em um tempo extremamente curto.

Também é de conhecimento geral na técnica que "Production ofLiquid Alkanes by Aqueous-Phase Processing of Biomass-Derived Carbohy-c/rates" por George W. Huber, Juben N. Chheda, Christopher J. Barrett1 eJames A. Dumesic1 do Department of Chemical and Biological Engineering1University of Wisconsin at Madison1 Madison1 Wl 53706, EUA comprovouque alcanos líquidos são do peso molecular apropriado a ser usado comocomponentes de combustível de transporte, e contêm 90% da energia dasalimentações de carboidrato e de H2. Portanto, houve muito mais interesseem processos que convertem de modo eficaz alcanos em alquenos.

Também é de conhecimento na técnica que tem sido usada fo-toirradiação para ativar vários complexos metálicos.

Referências adicionais incluem as seguintes:

"High combustion activity of methane induced by reforming gasover NÍ/AI203 catalysts" por Baitao Li, Ritsuko Watanabe, Kenji Maruyama,Mohammad Nurunnabi, Kimio Kunimori1 e Keiichi Tomishige1 publicado noAppl. Catai. A: General, 290, 36-45 (2005).

"Catalytic performance and properties of Ceria based catalystsfor cyclic carbonate synthesis from glycol and carbon dioxide" por KeiichiTomishige1 Hiroaki Yasuda, Yuichi Yoshida, Mohammad Nurunnabi, BaitaoLi1 e Kimio Kunimori1 publicado no Green Chem., 6, 206-214 (2004).

"Selective formation of ethylene carbonate from ethylene glycoland carbon dioxide over Ce02-Zr02 solid solution catalysté' por Keiichi To-mishige, Hiroaki Yasuda1 Mohammad Nurunnabi, Baitao Li1 e Kimio Kunimo-ri, publicado no Stud. Surf. Sei. Catai., 153, 165-168 (2004).

"Modeling of carbon-catalyzed gasification of organic feedstocksin supercritical water for energy conversionf' em http://www.dieter-ulber.de/BacheIorThesis; Dartmouth College (1997).

Experimentos de gaseificação de biomassa em água supercríticaproduziu um ciclo de força usando biomassa a úmido como um combustível,na qual o processo utiliza biomassa (22% em peso em água) bombeada até25 MPa em um extrusor-alimentador e aquecida até 600°C em um gaseifica-dor. Aí é quase completamente gaseificado em um gás de valor de aqueci-mento médio (15 MJ/kg) depois de cerca de 30 segundos de duração dapermanência. O catalisador aplicado pode ser diferentes tipos de carbono oucarvão ativado. A eficiência deste gaseificador supercrítico integrado a bio-massa/ciclo combinado (BISG/CC) é calculada para ser de 42%.

"Direct synthesis of organic carbonates from the reaction of C02with methanol and ethanol over Ce02 catalysté' por Yuichi Yoshida, YokoArai, Shigeru Kado, Kimio Kunimori, e Keiichi Tomishige, publicado no Catai.Today, no prelo.

O uso de dióxido de carbono como um material de partida para asíntese de compostos orgânicos tem sido há muito tempo uma meta para osquímicos. A hidrogenação de dióxido de carbono para ácido fórmico, meta-nol e outras substâncias orgânicas é particularmente atraente, mas tempermanecido difícil. É conhecida na técnica uma produção eficaz de ácidofórmico em uma mistura supercrítica de dióxido de carbono e hidrogêniocontendo um complexo de fosfina de rutênio catalítico.

Também é de conhecimento na técnica, como na Patente dosEstados Unidos N9 6.875.456, proteínas hidrolisadas por hidrólise enzimáticade uma variedade de fontes são usadas amplamente na indústria de alimen-tos, especificamente como um meio para proporcionar aromatizantes. Paraliberar tantos aminoácidos quanto possível, a via enzimática emprega mistu-ras complexas de várias endo- e exoproteases.

A Patente dos Estados Unidos N9 6.509.180 e O Requerimentode Patente dos Estados Unidos N9 2003/0077771, para "Process for produ-cing ethanof' para Verser, et al. produz etanol com um acetato, ácido acéticoou misturas dos mesmos como um produto de conversão intermediário se-guido pela hidrólise enzimática de açúcares e aminoácidos antes de fermen-tação. A patente N9 6.509.180 revela a conversão de aminoácidos, nova-mente somente como um produto de conversão intermediário em proteínacelular única bacteriana.

É adicionalmente conhecido que digestão enzimática assistidapor microondas é realizada conforme representado em um ensaio intitulado"Protein Preparation and Enzymatic Digestion in Proteomic^' por Wei Sun etal. Outro exemplo é representado em outro ensaio intitulado "Microwave-Assisted Hydrothermal Degradation of Silk Protein to Amino Acidé' por Ar-mando T. Quitain et al. at Research Institute for Solvothermal Technology,2217-43 Hayashi1 Takamatsu, Kagawa 761-0301, Japão, e Department ofEcological Engineering, Toyohashi University of Technology, Tempaku,Toyohashi 441-8580, Japão.

Também é de conhecimento na técnica no ensaio intitulado"Effect of carbonate solvents on the conductivity and viscosity behaviour ofionic Iiquid', por Boor Singh Lalia et al. Department of Applied Physics,G.N.D. University, Amritsar-143005, índia, e Polymer Electrolyte Fuel CellResearch Department, Korea Institute of Energy Research, 305-343, Daeje-on, Coréia, que o efeito da adição de solventes de carbonato, tais como car-bonato de propileno (PC) e dimetil carbonato (DMC) em um líquido iônicoresulta em uma redução na viscosidade do líquido iônico junto com um au-mento na condutividade por mais de uma ordem de magnitude.

Também é de conhecimento na técnica que líquidos iônicos ten-do a presença de água precipita celulose da solução. A presença de água nolíquido iônico reduz significativamente a solubilidade de celulose, presumi-velmente através de ligação de hidrogênio competitiva às microfibrilas decelulose a qual inibe solubilização. Celulose pode ser precipitada da soluçãode IL pela adição de água, ou outras soluções precipitantes incluindo etanole acetona. A Patente dos Estados Unidos Nq 5.846.393 para "Electrochemi-cally-aided biodigestion oforganic materials" para Clarke et al. também reve-la que a presença de água no líquido iônico reduz significativamente a solu-bilidade da celulose. Nesta concepção, um ensaio intitulado "A new categoryof Iiquid salt-liquid ionic phosphates (LlPsJ' por Robert Engel et al. observaque, diferentemente de líquidos iônicos portando tetrafluoroborato de ânionsde tetracloroaluminato, os LIPs são não reativos para água. Além disso, osLIPs portando simples ânions fosfato são solúveis em água, diferentementede seus sais de hexafluorofosfato correspondentes.Também é de conhecimento na técnica que um processo fotoca-talítico particularmente em combinação com íons fotossensibilizantes inclu-indo íons fotossensibilizantes selecionados entre o grupo obtido deTiO.sub.2, ZnO, zinco, ou WO.sub.3 leva a reações oxidativas reforçadas.É adicionalmente de conhecimento na técnica que oxido de titânio absorveraios UV tendo um comprimento de onda de cerca de 400 nm ou menos,para deste modo excitar elétrons dos mesmos. Quando os elétrons e furosresultantes atingem as superfícies de partículas de oxido de titânio, os elé-trons e furos são combinados com oxigênio ou água, deste modo gerandovários radicais. Os radicais resultantes exercem um efeito oxidante para des-te modo oxidar e decompor substâncias adsorvidas sobre as superfícies daspartículas. Além disso, Ti02 preparado sob calcinação a 200°C apresentouelevada atividade fotocatalítica para degradação de NOx sob tanto ilumina-ção de luz ultravioleta (UV) quanto de luz visível. Também é de conhecimen-to na técnica que cobre sobre suporte de titânia tem um papel crucial parapromover a redução de C02.

Outro caso reconhecendo o potencial de oxidação fotocatalíticaem um ensaio intitulado "Aqueous Photocatalytic Oxidation of Lignin andHumic Aeids with Supported Ti02' por Elina Portjanskaja et al. no Depart-ment of Chemical Engineering, Tallinn University of Technology, Ehitajate tee5, Tallinn 19086, Estônia, e Department of Chemical Technology, Lappeen-ranta University of Technology, P.O. Box 20, 53851 Lappeenranta, Finlândia,onde a adição de íons Fe2+, até 0,05 mM, a uma solução de Iignina leva aum aumento dramático, cerca de 25%, na eficiência fotocatalítica.

Também é de conhecimento conforme observado em estudos debioalvejante que o uso de ácido violúrico é um mediador eficaz para deligifi-cação catalisada por Iacase de polpas de kraft. Ácido violúrico(2,4,5,6(1 H,3H)-pirimidina-tetrona 5-oxima, VOH) é freqüentemente empre-gado como um reagente analítico para separação cromatográfica e para oxi-dação de cátion. Também é amplamente usado em técnicas de branquea-mento de polpa porque o processo não é muito sensível a variações de tem-peratura e pH. VOH também pode ser usado como um mediador eficaz detransferência de elétrons em processos de oxidação permitindo o aumentoda taxa global de transferência de elétrons. Na oxidação eletroquímica omediador ácido violúrico forma um radical com uma vida da ordem de váriasdezenas de minutos o qual oxida a lignina. A qualidade da polpa delignifica-da é notável devido à seletividade muito elevada do radical ácido violúrico naoxidação de lignina sobre celulose.

Outro método conhecido na técnica é a síntese de metanol apartir de dióxido de carbono com uma eficiência de corrente de cerca 90 pelaeletrólise de solução de dióxido de carbono-tampão de fosfato saturado napresença de formato deidrogenase e metanol deidrogenase como eletrocata-Iisadores e pirroloquinolina quinona como um relê de elétrons.

Um link na Internet emhttp://pubs.acs.org/cen/science/83/8340sci1.html7print notes Science & Te-chnology, October 3, 2005, Volume 83, Number 40, pp. 36-39, ACS MeetingNews intitulado uGreen Polymer Field Blossomintf' revela um dióxido de car-bono supercrítico de solvente limpo e um catalisador natural, isto é, uma en-zima, makes unusual copolímeros em bloco. Os compostos consistem empoli(láctico ácido), derivado de amido de milho, enxertado sobre enchimen-tos de nanowhisker celulósicos produzidos por hidrólise ácida de celulose.uOur approach uses reactive groups on the surface of the nanocellulosics toinitiate the polymerization reaction of lactide," segundo Dorgan. O grupo deDorgan mostrou que ecobioanocompostos preparados a partir de poli(lácticoácido) e enchimentos de celulose microcristalina têm maiores temperaturasde transição de vidro.

Um processo de pré-tratamento conhecido na técnica é descritono ensaio "Pretreatment for Cellulose Hydrolysis by Carbon Dioxide Explosi-ori', por Yizhou Zheng et al. no Laboratory of Renewable Resources Engine-ering, 1295 Potter Engineering Center, Purdue University, West Lafayette,Indiana 47906, Aceito em 21 setembro de 1998. Zheng et al. usa uma Iibera-ção explosiva da pressão de dióxido de carbono para romper a estrutura ce-lulósica como um meio para aumentar a área superficial acessível do subs-trato celulósico a hidrólise enzimática. Os resultados indicaram que dióxidode carbono supercrítico é eficaz para pré-tratamento de celulose. Um au-menta na pressão facilita a penetração mais rápida de moléculas de dióxidode carbono nas estruturas cristalinas, deste modo mais glicose é produzida apartir de materiais celulósicos depois da explosão comparado com aquelessem o pré-tratamento. Este pré-tratamento de explosão aumenta a taxa dehidrólise de material celulósico bem como aumenta a produção de glicosepor tanto quanto 50%.

O Requerimento de Patente dos Estados Unidos Ne20060211096 para "Enzyme catalysis in the presence of ionic liquids" paraKragl, Udo et al. revela um método para a conversão de substâncias na pre-sença de enzimas como um catalisador em um meio de reação compreen-dendo no mínimo um líquido iônico, em que a enzima é selecionada entre ogrupo consistindo em oxidorredutases, lipases, galactosidases, glicosidases,Iiases e enzimas na classe EC 6. Conclusivamente demonstraram que apresença de líquidos iônicos aumenta a produção acima de 55% quando seusa Iactose como um doador barato.

Todas as referências citadas, incluindo literatura de patente enão-patente, são por este incorporadas por meio de referência em suas tota-lidades.

A técnica carece de uma solução de conversão de combustível

de biomassa de alta eficiência de energia com as características inerentesadicionais de seqüestração de dióxido de carbono integrando uma bomba decalefação de absorção híbrida de dióxido de carbono supercrítico com ciclotermodinâmico gerador de força integral.

Sumário

É proporcionada uma biomassa para biocombustível como umaplanta independente e ainda adicionalmente integrada com um método deprocesso de planta de biomassa para biodiesel tendo balanço de energiasuperior e co-produtos de valor superior adicionado. O processo preferenci-almente usa uma bomba de calefação de absorção de dióxido de carbonointegrada e ciclo de geração de força que utiliza um absorvente líquido enão-tóxico tal como líquidos iônicos, a partir dos quais o gás dióxido de car-bono é absorvido, que adicionalmente reforça o processo de hidrólise dabiomassa. A incorporação adicional de hidrólise de proteína reforçada com avantagem adicional de retirar o amargor de peptídeos e aminoácidos livresproporciona co-produtos de valor superior adicionado ao invés do subprodu-to de ração animal tradicional.

Em uma modalidade, a presente invenção é uma solução híbridade líquido iônico utilizada dentro de dispositivos de transformação por ener-gia térmica. Os dispositivos usam uma solução consistindo em líquidos tôni-cos que é um meio de transporte térmico eficaz.

Combinações adicionais de refrigerantes e absorvedores sãoreconhecidas na técnica como tendo miscibilidade parcial. Um aspecto adi-cional da invenção é a obtenção de separação de fases como um função deno mínimo uma função selecionada entre o grupo consistindo em temperatu-ra, pressão, e pH. A solução preferencial inclui adicionalmente a utilizaçãode pequenas variações no pH para variar a solubilidade do refrigerante den-tro do absorvedor. A solução mais preferencial varia temperatura e pressão,em combinação com controle de pH, usando métodos incluindo eletrodiálise.Métodos adicionais para possibilitar separação de fases incluem a aplicaçãode campos eletrostáticos, uma vez que campos eletrostáticos aumentam asolubilidade de fluidos iônicos.

Um aspecto da invenção é integrar uma bomba de calefação deabsorção com capacidades de extração de força integral a um processo pa-drão de pré-tratamento da biomassa.

As figuras representadas dentro do relatório proporcionam confi-gurações exemplares dos componentes mais importantes do sistema deconversão de biomassa. Uma descrição detalhada das figuras é proporcio-nada nos parágrafos seguintes.Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista de fluxograma do processo representan-do uma série típica de etapas de processo de pré-tratamento da biomassapara geração de energia.

A Figura 2 é uma vista de fluxograma do processo representan-do outra série típica de etapas de pré-tratamento de biomassa para injeçãode microcanal de água supercrítica através de seqüestração de dióxido decarbono.

A Figura 3 é uma vista de fluxograma do processo representan-do uma série típica de etapas integrando tanto meios térmicos quanto expo-sição fotocatalítica alavancando a energia alternativa solar adicional.

A Figura 4 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando uma integração típica de sistema de bomba de calefação de absorçãode dióxido de carbono supercrítico com pré-tratamento supercrítico de bio-massa.

A Figura 5 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando outra integração direta típica de solução binária de dióxido de carbonosupercrítico e pré-tratamento de biomassa de líquidos iônicos.

A Figura 6 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando a integração direta de uma biomassa para biocombustível com umabiomassa para biodiesel.

A Figura 7 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando a integração direta de biomassa a etapa de pré-tratamento de bio-combustível com uma bomba de calefação de absorção tendo capacidadesde geração de força.

A Figura 8 é uma visão geral das entradas (inputs) e saídas(outputs) da biomassa para processo de conversão de biocombustível.

A Figura 9 é uma vista de fluxograma do processo representan-do um processo de destilação alternativo para desidratação de biocombustí-vel operando o processo de destilação como um ciclo termodinâmico de ge-ração de força Organic Rankine de solução binária.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferenciais

O termo "ciclo termodinâmico" é definido como um processo noqual um fluido de trabalho sofre uma série de mudanças de estado e final-mente retorna para seu estado inicial.

O termo "energia solar" é definido como energia derivada do sol,o qual mais freqüentemente se refere à conversão direta de fótons irradiadosem elétrons ou fónons através de uma ampla série de meios. A energia solartambém é convertida indiretamente em formas de energia adicional tais co-mo o aquecimento de água freática (a.k.a. água geotérmica).

O termo "líquidos tônicos" "ILs" é definido como líquidos que sãomeios não coordenantes altamente solvatantes nos quais uma variedade desolutos orgânicos e inorgânicos são capazes de dissolver. São solventeseficazes para uma variedade de compostos, e sua falta de uma pressão devapor mensurável os torna um substituto desejável para Compostos Orgâni-cos Voláteis (VOCs). Líquidos iônicos são solventes atraentes uma vez quesão não voláteis, não inflamáveis, têm uma alta estabilidade térmica, e sãorelativamente baratos de fabricar. O ponto chave sobre líquidos iônicos éque são sais líquidos, o que significa que consistem em um sal que existe nafase líquida e devem ser fabricados; não são simplesmente sais dissolvidosem líquido. Geralmente um ou ambos os íons são particularmente grandese o cátion tem um baixo grau de simetria. Estes fatores resultam em líquidosiônicos tendo uma reduzida energia de Iattice e portanto menores pontos defusão.

O termo "tolerante térmico" se refere à propriedade de suportarinativação parcial ou completa por calor e também pode ser descrito comoresistência térmica ou estabilidade térmica.

O termo "trem de pressão" se refere a zonas de pressão inde-pendentes que são alternativamente produzidas pela utilização de dispositi-vos de controle de fluxo. Um dispositivo semelhante é uma válvula de alíviode pressão. A utilização de uma série de válvulas de alívio de pressão, de talmodo que a pressão de craqueamento é ajustada em incrementos aumen-tando a partir da primeira válvula de alívio de pressão até a última com au-mentos incrementais para cada válvula de alívio de pressão, é um modo efi-caz para evitar corrente de retorno e para controlar inerentemente meiospara aumentar o estado de vapor do fluido de trabalho. O agregado das sé-rie de válvulas de alívio de pressão dentro de um trocador de calor é naspartes que se seguem referido como um trocador de calor de "trem de pres-são". Deste modo a válvula de alívio de pressão cria zonas independentesde modo eficaz dentro do trem de pressão. Há numerosos métodos de co-nhecimento na técnica para obter controle de pressão preciso e/ou relativo.

O termo "bombas de calefação" se refere a um dispositivo paraliberar calor ou esfriamento a um sistema, ao passo que um refrigerador éum dispositivo para remover calor de um sistema. Deste modo, um refrigera-dor pode ser considerado um tipo de bomba de calefação. Do início ao fimdo requerimento, será feita referência a um dispositivo de transformação porenergia térmica, nas partes que se seguem referido como "TED" com o en-tendimento de que a designação de refrigerador, condicionador de ar, com-pressor, aquecedor de água, trigeração, e cogeração pode ser substituídasem mudar a operação do dispositivo, especificamente TEDs que utilizamfluidos supercríticos e transcríticos.

Em bombas de calefação de absorção, um absorvente, tal comoágua, absorve o refrigerante, tipicamente amônia, deste modo gerando calor.Quando a solução combinada é pressurizada e posteriormente aquecida, orefrigerante é expelido, Quando o refrigerante é pré-esfriado e expandidopara uma baixa pressão, proporciona esfriamento. O refrigerante de baixapressão é então combinado com a solução exaurida de baixa pressão paracompletar o ciclo.

Líquidos e sólidos iônicos são reconhecidos na técnica de sol-ventes ambientalmente amigáveis. Líquidos iônicos "IL" têm muito poucapressão de vapor se não desprezível e preferencialmente são selecionadosentre o grupo consistindo em líquidos iônicos compatíveis com dióxido decarbono supercrítico "scC02". A combinação de scC02 e ILs da invençãotem excelente solubilidade de dióxido de carbono e separação de fases sim-ples devido a sua classificação como combinações de fluidos parcialmentemiscíveis. Fluidos parcialmente miscíveis são tanto miscíveis quanto imiscí-veis em função direta tanto da pressão quanto da temperatura. Um fluidoparcialmente miscível em seu estado imiscível pode ser simplesmente de-cantado para separação de fases, a qual é inerentemente um método deseparação de baixa energia. O comportamento da fase de CO.sub.2 comlíquidos iônicos e como a solubilidade do gás no líquido é influenciado pelaescolha e a estrutura do cátion e o ânion.

O termo "electride" é definido como sendo como alkalides excetoque o ânion é presumido como sendo simplesmente um elétron o qual estálocalizado para uma região do cristal entre os cátions combinados em com-plexo.

O termo "supercrítico" é definido como o ponto no qual fluidostêm sido explorados acima de suas temperaturas e pressões críticas.

O termo "bomba de calefação" é definido como o transporte deenergia térmica extraída de uma fonte térmica para um sorvedouro de calorpor meios incluindo compressão a vapor, absorção, e adsorção.

O termo "aceptor de elétrons" é um composto que recebe ou a-ceita um elétron durante respiração celular. O processo se" inicia com atransferência de um elétron de um doador de elétrons. Durante este proces-so (cadeia de transporte de elétrons), o aceptor de elétrons é reduzido e odoador de elétrons é oxidado. Exemplos de aceptores incluem oxigênio, ni-trato, ferro (III), manganês (IV), sulfato, dióxido de carbono, ou em algunscasos os solventes clorados tais como tetracloroeteno (PCE), tricloroeteno(TCE), dicloroeteno (DCE), e cloreto de vinila (VC).

O termo "misturador de intensificação do processo" é definidocomo a utilização de micromistura, particularmente com fluidos supercríticos,para obter elevada transferência de massa. Fluidos supercríticos incluemgases tais como dióxido de carbono, metano, metanol, amônia, etanol, buta-nol, e hidrogênio. Os dispositivos incluem dispositivos de cavitação hidrodi-nâmica, disco de repuxamento, e tubo de repuxamento dentro de tubo.

O termo "absorção" é amplamente aceito na aplicação de bom-bas de calefação para esfriamento. Absorção, em química, é um fenômenofísico ou químico ou um processo no qual átomos, moléculas, ou íons pene-tram alguma fase de massa - material gasoso, líquido ou sólido. Isto é umprocesso diferente de adsorção, uma vez que as moléculas são apreendidaspelo volume, não por superfície. Um termo mais geral é sorpção o qual cobreadsorção, absorção, e troca tônica.Reforços da Eficiência Pré-tratamento

A utilização de uma solução de biomassa compreendendo a e-tapa de pré-tratamento de solubilização de solução de biomassa em líquidosiônicos é um meio ótimo para produzir combustíveis de energia alternativa.

Líquidos iônicos têm a distinta vantagem de serem tanto fluidos superiorespara solubilizar celulose, hemicelulose, e Iignina a partir de uma variedadede fontes de biomassa. A modalidade preferencial utiliza fosfatos iônicos lí-quidos "LIPs", sulfonamidas líquidas iônicas de poliamônio "PILS", e po-li(iônicos líquidos), ou combinações dos mesmos, com a distinta vantagemadicional de reduzida precipitação de sólidos prematuros (isto é, celulose, eetc.) quando a solução de biomassa tem um teor de umidade significativo (a-cima de 2%). O fluido, o qual neste caso é um líquido iônico que solubiliza abiomassa, é referido nas partes que se seguem como o "fluido solubilizante".

Uma modalidade especificamente preferencial combina o fluidosolubilizante com no mínimo um gás selecionado entre o grupo consistindoem dióxido de carbono, amônia, e metano. Os benefícios são particularmen-te superiores quando o gás é pressurizado para no mínimo a pressão super-crítica como um meio para aumentar taxas de transferência de massa.

A integração do fluido solubilizante, também referido de modointercambiável como o fluido de trabalho, para pré-tratamento de uma bio-massa e como um absorvente dentro de um bomba de calefação de absor-ção/gerador de força tem o benefício adicional de aumentar o balanço deenergia associado com a produção de biocombustíveis tais como etanol oubutanol.

Com referência à Figura 1, o processo de pré-tratamento é re-presentado onde a solução de biomassa 10 é preferencialmente extrusada20 para uma pressão equivalente à pressão do dióxido de carbono supercrí-tico "ScC02" 30 que é absorvido na fase de fluido solubilizante da soluçãode biomassa 10 como um líquido supercrítico. A fonte preferencial do ScC02é dessorvida de uma bomba de calefação de absorção integrada. A utiliza-ção de uma bomba de calefação de absorção reduz muito (na ordem de umaredução de 90%) os requisitos de energia de eletricidade comparada comcompressão de C02 tradicional. A solução de biomassa infundida comScC02 é adicionalmente aquecida por um gerador térmico 40, o qual podeser qualquer coisa de calor de escape de processo de um ciclo gerador deforça, calor de escape de pirólise/gaseificação, até um boiler tradicional, paraa temperatura de hidrólise preferencial conforme de conhecimento na técni-ca e específico para os aditivos enzimáticos e/ou catalíticos. A solução debiomassa resultante é adicionalmente processada utilizando o misturador deintensificação do processo preferencial, incluindo o dispositivo de cavitaçãohidrodinâmica representado 50 que tem um benefício adicional de criar pres-sões instantâneas muito elevadas durante o colapso de bolhas deste modocriando cavitação. Uma ampla gama de equipamento é conhecida na técnicapara obter cavitação hidrodinâmica incluindo um sistema exemplar conformeproporcionado pela VRTX Technologies LLC de San Antonio, Texas, EUA.O equipamento de cavitação hidrodinâmica reduz o tamanho de partícula dabiomassa resultando em aumento da área superficial da celulose, hemicelu-lose, e Iignina dentro da solução. O resultado final sendo aumento da ativi-dade superficial, se os processos de pós tratamento, conforme de conheci-mento na técnica, incluírem a decomposição catalítica ou enzimática da ce-lulose, hemicelulose, e Iigninas em intermediários de combustíveis. Uma e-tapa do processo de filtração e separação utilizando as membranas de mi-cro- e/ou nano-filtração preferenciais 60 são utilizadas para isolar componen-tes solúveis de componentes sólidos insolúveis, e subseqüentemente sofremo processo de explosão tradicional para posteriormente romper a ligação dehidrogênio presente na estrutura celulósica. A modalidade preferencial extraia entalpia disponível da solução de biomassa através de um dispositivo deextração de energia 70, com os dispositivos particularmente preferenciaisselecionados entre o grupo consistindo em rotores do gerador, trocador depressão, turbinas, quase-turbinas, pistões, e motor de reação a ar forçadocomo um meio para aumentar a eficiência de energia do processo de produ-ção de combustível. Os dispositivos de expansão particularmente preferen-ciais são rotores do gerador e motores de reação a ar forçado, ambos tendoa vantagem de alta eficiência de expansão e baixa suscetibilidade a danopara celulose precipitada e seus subprodutos. Ainda meio adicional paraaumentar a eficiência global do sistema inclui a seleção de componentes dealta eficiência para a expansão do estágio de ScC02 incluindo a utilizaçãode rotor do gerador de alta eficiência, dispositivo de extração de energia me-cânica incluindo rotor do gerador, turbina de expansão, bomba de expansão,ciclomotor Stirling, ciclomotor Ericsson, turbina de motor de reação a ar for-çado, ou combinações dos mesmos. Os dispositivos de extração de energiaparticularmente preferenciais são dispositivos supersônicos integrais sele-cionados entre o grupo consistindo em rotor do gerador, compressor e turbi-na incluindo compressores e turbinas operando ou no princípio de motor dereação a ar forçado ou de pulso-reator.

Também com referência à Figura 1, numerosos meios são deconhecimento na técnica para aumentar a pressão da solução de biomassa,embora o preferencial seja um extrusor 20 tendo os benefícios de tanto atin-gir a pressão desejada do fluido não compressível com alta eficiência de e-nergia (comprimir um fluido não compressível requer energia significativa-mente menor do que um fluido compressível, isto é, vantagens conhecidasna técnica de qualquer bomba de calefação de absorção vs. uma bomba decalefação por compressão a vapor). A infusão adicional 30 do dióxido decarbono supercrítico na pressão de absorção (a qual é pós o dispositivo deexpansão/evaporador) na solução de biomassa permite que o ScC02 sejaabsorvido no líquido iônico. Um meio mecânico subseqüente é usado paraaumentar adicionalmente a pressão da pasta semifluida de biomassa, líquidoiônico, e dióxido de carbono para a pressão do gerador/dessorvedor (isto é,lado de alta pressão do ciclo termodinâmico). Os meios mecânicos incluem,embora não são limitados a, bomba de deslocamento positivo, extrusor,compressor/bomba de calefação hidráulica, ou combinações dos mesmos.A utilização do líquido iônico tem a principal vantagem de possibilitar simul-taneamente a rápida degradação dos produtos de celulose, hemicelulose, elignina para subprodutos capazes, conforme de conhecimento na técnica, deserem convertidos catalítica ou enzimaticamente para uma ampla faixa decarburantes combustíveis, e a funcionalidade integral da alta absorção deScC02 possibilitando alta eficiência de conversão de força. O ciclo de gera-ção de força de absorção pode ser ou o ciclo de geração de energia primá-rio, um ciclo de fundo para outros ciclos termodinâmicos de geração de forçaprincipalmente aumentando a eficiência de energia do ciclo de geração deforça primário através de recuperação de energia, um ciclo de bomba decalefação de absorção multi-efeito, ou incorporado em virtualmente qualquerciclo termodinâmico acionado por uma fonte térmica.

O estágio de "gerador térmico" 40 de dessorção é outro consu-midor puro de energia. O consumo de energia (isto é, temperatura de des-sorção) pode ser reduzido por meios incluindo o reator de disco de repuxa-mento como um meio para aumentar a taxa de transferência de calor paradentro/para fora da solução de biomassa deste modo acelerando a taxa deabsorção/dessorção (taxas termicamente limitadas). Meios adicionais paraaumentar a elevada pressão lateral incluem a utilização de um compressortérmico-hidráulico incluindo um trocador de calor de trem de pressão, umasérie de estágios de pressão independentes tendo fluxo alternado ou pulsa-do, bomba hidráulica tendo um sorvedouro de calor integral, ou combinaçõesdos mesmos. A solução de biomassa é dessorvida em maiores eficiênciasutilizando a combinação de no mínimo um método térmico e no mínimo ummétodo não térmico incluindo métodos não térmicos selecionados entre ogrupo consistindo em refrigeração magnética, condensador de bomba decalefação por compressão a vapor, absorção de luz de espectro direto solarativada, eletrodiálise, campos eletrostáticos, separação de membrana, ele-trodessorção, pervaporação, centrífuga a gás, absorvedor de C02-líquido detubo de vórtice, decantação, ou combinações dos mesmos. A utilização defluidos em combinação com a solução de biomassa tendo regiões variandode miscibilidade, miscibilidade parcial, ou imiscibilidade permitem que sejaobtida separação de fases de alta eficiência variando parâmetros de opera-ção incluindo no mínimo uma função selecionada entre o grupo consistindoem temperatura, pressão, e pH.

Pré-tratamento de celulose como um meio para produzir glicoseé bem estabelecido na técnica, predominantemente utilizando a etapa inten-siva de energia de explosão de vapor. A utilização da invenção de proces-samento da biomassa em um líquido iônico possibilita uma redução significa-tiva na energia térmica e uma redução dos requisitos de temperatura da rea-ção. O aumento subseqüente da pressão da pasta semifluida de biomassa elíquido iônico é obtida através de meios mecânicos. A solução de biomassade pressão intermediária resultante é preferencialmente onde a pressão in-termediária é equivalente ao estágio de baixa pressão do ciclo de absorçãointegral (isto é, pressão do absorvedor).

Outra modalidade particularmente preferencial consiste adicio-nalmente em irradiação de microondas para aumentar a taxa de hidrólise porum mínimo de 10%. Uma modalidade especificamente preferencial imobilizaas enzimas dentro do fluido de trabalho aproveitando a absorção superior eespecífica do líquido iônico de irradiação de microondas de tal modo que ahidrólise enzimática pé reforçada atingindo um centro catalítico ativo Iocali-zado resultando em uma redução na temperatura de hidrólise de no mínimo5 graus Fahrenheit menos do que o vácuo do processo de pré-tratamento deirradiação de microondas. O resultado líquido é dano reduzido para proteí-nas por desnaturação térmica.

Quando o processo de conversão de biomassa do pré-tratamento é ou enzimática ou requer um aumento de temperatura além datemperatura na qual proteínas desnaturam ou enzimas perdem sua ativida-de, a inclusão adicional de trealose reforça a vida enzimática eficaz e limita adesnaturação das proteínas. Numerosas vantagens distintas estão presen-tes quando a conversão de biomassa para combustível é obtida preferenci-almente usando reações catalíticas, com os catalisadores preferenciais sele-cionados entre o grupo consistindo em catalisadores submícron, eletrocatali-sadores submícron, ou fotocatalisadores submícron onde submícron e na-noescala são usados de modo intercambiável. É sabido na técnica de rea-ção catalítica que alta superfície de área em nanoescala (isto é, tamanho departícula de cristalito submícron) e ou ativação de fótons ou elétrons aceleraa química da reação levando tanto a maior eficiência de energia quanto areduzidos custos de amortização do capital. As distintas vantagens combi-nadas realizadas pelo fluido solubilizante preferencial, a integração da bom-ba de calefação de absorção para requisito de baixa energia para obterpressões supercríticas, a integração de extração de energia para transformarentalpia em um co-produto útil de eletricidade, e transferência de massa ele-vada de reações supercríticas produz conversão superior de biomassa parauma ampla faixa de range produtos resultantes de polímeros nanocompos-tos a biocombustíveis.

Com referência à Figura 3 é outra modalidade do processo depré-tratamento onde a reação particularmente preferencial inclui uma etapado processo fotocatalítico 240 para adicionalmente modificar os subprodutosda biomassa através da etapa de dividir hidrogênio da solução de biomassa,com uma etapa subseqüente de separar o gás hidrogênio 250 por meios deconhecimento na técnica. Um método especificamente preferencial de pro-cessamento da solução de biomassa supercrítica 10 consiste adicionalmenteem etapas do processo para aquecer a solução de biomassa por meios sola-res. Um método superior é utilizar tanto painéis planos solares supercríticos220 ou receptores de concentradores solares supercríticos 230, por meiodos quais é obtida performance ótima configurando os dispositivos solaresem um fluxo seqüencial primeiro nos painéis planos solares supercríticos eem seguida em receptores de concentradores solares supercríticos como ummeio para minimizar o custo do capital e operar perdas térmicas.

A principal motivação para conversões de biomassa para bio-combustível, em outras palavras a produção de combustíveis de energia al-ternativa, é a redução de gases do aquecimento global. A criação de gasesdo aquecimento global é largamente influenciada e é uma conseqüência dobalanço de energia associado com o processo de produção. Portanto, a in-clusão adicional e integração direta de uma bomba de calefação de absor-ção tendo no mínimo um componente do fluido de trabalho em comunicaçãode fluidos com o processo de pré-tratamento possibilita uma redução no con-sumo de energia do início ao fim do processo de conversão de biomassa emais notavelmente no processo de pré-tratamento de intensiva energia. Obenefício adicional da integração da bomba de calefação de absorção é aprodução de baixa energia de gases supercríticos, particularmente C02 con-forme absorvido em uma ampla gama de absorventes refrigerantes incluindoácido glicólico, álcoois, acetato amílico, acetato isobutílico, ILs, LIPs, e PILs.A necessidade de reduzida energia é atribuída à necessidade de reduzidaelétrica para "comprimir" um líquido comparado com comprimir um gás.

O processo de baixa energia combinado resulta em um aumentoda área de superfície da biomassa acelerando as reações de hidrólise, oxi-dação, e/ou redução da solução de biomassa. O gás supercrítico (isto é, re-frigerante da bomba de calefação de absorção) é opcionalmente adicional-mente integrado no processo de conversão de biomassa como um meio pa-ra reduzir o teor de umidade que está naturalmente presente na biomassapara limitar a precipitação prematura de celulose e hemicelulose do fluido detrabalho do pré-tratamento. O gás supercrítico, mais notavelmente C02, éem seguida subseqüentemente desidratado em glicerina ou glicerol (compo-nente do fluido de trabalho A1, o qual é um subproduto da biomassa para oprocesso de conversão de biodiesel). Este processo de desidratação é signi-ficativamente menos intensivo de energia do que meio de secagem tradicio-nal para biomassa, com o teor de umidade/água preferencial de menos de2% em uma base em peso do fluido de trabalho. A/O glicerina/glicerol satu-rada/o de umidade é regenerada/o no mínimo em parte utilizando o calor deescape recuperado de no mínimo um componente de fluido de trabalho A2(o qual neste exemplo é C02 supercríticos) em comunicação de fluidos comtanto a biomassa para processo de conversão de biocombustível quanto abiomassa para processos de conversão de biodiesel.

Com referência à Figura 6 é uma modalidade tendo verdadeiraintegração de uma biomassa para biocombustível com uma biomassa paraprocesso de conversão de biodiesel. O processo de biocombustível é carac-terizado como sendo consistindo em uma forte solução de C02 supercrítico600 que é dessorvida, preferencialmente de uma bomba de calefação deabsorção, e desidratada 601 pela infusão do ScC02 hidratado no subprodu-to glicerina/glicerol do processo de biodiesel. Isto transforma a biomassa dealto teor de umidade 602 em uma solução de biomassa de reduzido teor deumidade 603 tendo compatibilidade aumentada com o fluido solubilizantesupracitado. O ScC02 contém adicionalmente lipídeos e extratos de bio-massa que são processados através de um processo de isolamen-to/extração 619 conforme de conhecimento na técnica produzindo co-produtos de alto valor adicionado 618 e lipídeos 625 utilizados dentro doprocesso de biodiesel a ser esterificado 626 em biodiesel 627. A gliceri-na/glicerol hidratada 620 pode ser ou regenerada para reuso ou é pirolisa-da/gaseificada 621 em ou singás ou adicionalmente processada catalitica-mente 628 para co-produtos de valor adicionado adicionais. Este estágio depirólise/gaseificação 621 cria significativo calor de escape que pode ser re-cuperado para múltiplos fins através do sistema de recuperação de calor 629incluindo input de energia térmica para a biomassa para processo de con-versão de biocombustível ou a produção de eletricidade 622, preferencial-mente através dos supracitados bomba de calefação de absorção/ciclo ge-rador de força como input térmico no gerador/dessorvedor. Esta eletricidadeproduzida 622 é otimamente utilizada para vários processos eletroquímicose/ou criando irradiação de microondas 623 como um meio para aumentar ataxa de hidrólise dentro do processo de hidrólise supracitado. Incrementandoo processo de conversão de biocombustível está o isolamento do fluido so-lubilizante, preferencialmente consistindo em solução de líquido iônico 604tendo enzimas imobilizadas 605. O processo de pré-tratamento de hidrólisecontinua até este momento como uma solução aquosa 612, preferencial-mente consistindo adicionalmente de mediadores de transferência de elé-trons, etc., é misturado através de um misturador de intensificação do pro-cesso 606 criando uma solução de líquido iônico hidratado 607 produzindoextratos isolados 613. O componente de água do fluido solubilizante hidrata-do criando vapor de alta pressão "dessorvido" 609 o qual por sua vez produzeletricidade adicional 610 novamente produzindo calor de escape 611 que éutilizado dentro dos supracitados AFEX e/ou ciclos de bomba de calefaçãode absorção. Adicionalmente, em conseqüência da dessorção de água dofluido solubilizante é a dessorção de ScC02 que é transformada em co-produtos através de ou um processo de reação catalítica 614 ou é uma ma-téria-prima para um processo de íermentação/enzimático subseqüente 614.O processo de fermentação/enzimático 614 produz C02 adicional o qual éabsorvido no fluido solubilizante (no estado de solução fraca) 615. A novasolução forte é reduzida eletroquimicamente 616 criando metano/metanol617, em que o processo eletroquímico está rechaçando a eletricidade gera-da 610.

Com referência à Figura 8 são os inputs globais de matéria-prima e produtos e co-produtos resultantes implementando os processos debiocombustível e biodiesel integrados supracitados, o qual é referido como oprocesso AIterVia 710. Uma biomassa celulósica 700 ou produtos agrícolas705 (mais notavelmente produtos com um significativo teor de proteína) sãoinputs de matéria-prima. O primeiro resultado (output) direto é biodiesel 720com seu subproduto de glicerina 715 que é utilizado como um input no pro-cesso de biocombustível lateral conforme caracterizado anteriormente.O segundo resultado direto é um biocombustível incluindo etanol ou butanol725 com seu subproduto de C02 730 que é adicionalmente processado porredução eletroquímica em metanol 735 e se torna um input no processo debiodiesel lateral conforme caracterizado anteriormente. Co-produtos adicio-nais incluem extratos isolados tais como vitaminas e extratos de plantas 740,hidrolisados de proteína e aminoácidos/peptídeos 745, antioxidantes e poli-fenóis 750. Os subprodutos adicionais de calor de escape são transformadosem eletricidade 755, preferencialmente pelos supracitados bomba de calefa-ção de absorção/gerador de força. E por último, as fibras celulósicas proces-sadas pelo processo de pré-tratamento caracterizado anteriormente e pro-cesso de precipitação de microcanais resulta em nanowhiskers celulósicosque são adicionalmente processados em nanocompostos 760.

Ganhos de Eficiência Secundários - A infusão subseqüente dedióxido de carbono, especialmente dióxido de carbono supercrítico "ScC02",tem o benefício secundário de reforçar o processo de hidrólise da biomassa.A solução de biomassa preferencial é pressurizada para uma pressão emexcesso de 12,9 MPa manométricos (600 psia). Uma solução de biomassaparticularmente preferencial é pressurizada em excesso da pressão super-crítica de dióxido de carbono de 23 MPa manométricos (1073 psia), de talmodo que a solução de biomassa está dentro da região supercrítica. Os be-nefícios de operar dentro da faixa supercrítica tem benefícios muito significa-tivos conforme é de conhecimento na técnica incluindo reduzida tensão su-perficial, deste modo possibilitando a utilização posterior de trocadores decalor de microcanais, reatores de microcanais, e a alta reatividade dos flui-dos supercríticos tanto para transformações químicas catalíticas quanto en-zimáticas. Uma fonte de dióxido de carbono, como um meio adicional parareduzir o efeito estufa do dióxido de carbono, é a integração do subprodutoda fermentação de dióxido de carbono sendo absorvido pelo líquido iônico. Éadicionalmente previsto incorporar o sistema de conversão de biomassa dealta eficiência em métodos de conversão de biomassa para combustíveisalternativos; geração de força adicional, processos industriais, plantas detratamento de resíduos, ou instalações adicionais que produzem ou calor deescape ou dióxido de carbono. Portanto as ineficiências e subprodutos deum ciclo são portanto alavancadas no ciclo adjacente proporcionando bene-fícios econômicos e de estufa reais além da operação de qualquer sistemade ciclo único.

Uma bomba de calefação de absorção particularmente preferen-ciai consiste adicionalmente em um ciclo de geração de força para produzireletricidade utilizada para no mínimo uma função selecionada entre o grupoconsistindo em irradiação de microondas, redução eletroquímica, e eletróli-se. A integração direta do ciclo gerador de força tem os meios para reduzir ocusto da eletricidade requerida para implementar uma série de etapas críti-cas do processo para reforçar o processo de conversão da biomassa aomesmo tempo que também produzindo calor de escape recuperado do ciclodo fundo, o qual passa a ficar em comunicação de fluidos com o processo depré-tratamento da biomassa.

Outro benefício de integrar o processo de pré-tratamento de rá-pida expansão tendo um gás expandido e um ciclo termodinâmico geradorde força, em que o gás expandido do processo de pré-tratamento está emcomunicação de fluidos com o condensador do ciclo termodinâmico geradorde força, é aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico tanto do processode pré-tratamento da biomassa quanto do ciclo termodinâmico gerador deforça. O gás expandido aumenta a temperatura diferencial dentro do ciclotermodinâmico, deste modo permitindo uma maior eficiência de Carnot. Oprocesso de recuperação de energia consiste adicionalmente de um disposi-tivo de recuperação de calor de escape para recuperar energia térmica apartir do condensador do ciclo termodinâmico gerador de força por meio doqual a energia térmica é adicionalmente aumentada pelo calor de absorçãopela mistura subseqüente do gás expandido em no mínimo um absorventeantes de recombinar com a solução de biomassa. A elevação da temperatu-ra obtida pelo calor da absorção aumenta a "qualidade" do fluido de trabalhode tal modo que a energia térmica é utilizada, no mínimo em parte, como umestágio de preaquecimento. O calor de escape é utilizado para no mínimouma função selecionada entre o grupo consistindo em preaquecimento dasentradas do processo de pré-tratamento de rápida expansão, bomba de ca-lefação hidráulica, e entradas de uma bomba de calefação de absorção co-mo um meio para aumentar a pressão do fluido.

Ainda outra modalidade é a utilização de um dispositivo de recu-peração de calor de escape para recuperar energia térmica a partir do con-densador do ciclo termodinâmico gerador de força em comunicação de flui-dos com a solução de biomassa e em que a energia térmica é utilizada comono mínimo uma fonte de energia térmica parcial dentro de uma reação endo-térmica. A utilização de calor de escape de baixa "qualidade" como um pri-meiro estágio de preaquecimento em uma reação endotérmica (tal como pi-rólise de glicose) aumenta a eficiência de energia do ciclo combinado.

Outra modalidade alavanca as vantagens de fluidos binários si-multaneamente dentro do processo de pré-tratamento da biomassa e ciclogerador de força. Fluidos binários Atingem superior eficiência de energiadentro de ciclos Organic Rankine, ao passo que os mesmos fluidos bináriosaumentam a taxa de hidrólise dentro do processo de pré-tratamento da bio-massa. Portanto o ciclo termodinâmico gerador de força consiste em um flui-do de trabalho tendo no mínimo um primeiro fluido de trabalho W1 e um se-gundo fluido de trabalho W2. Combinações típicas para fluidos binários sãoselecionadas entre o grupo consistindo em dióxido de carbono, amônia, me-tanol, etanol, butanol, e água. Combinações particularmente preferenciaissão C02 e NH4, C02 e metanol, C02 e etanol, ou C02 e butanol. Os ciclostermodinâmicos preferenciais nos quais os benefícios serão realizados in-cluem ciclos selecionados entre o grupo consistindo em ciclos de Goswami,Uehara, Kalina, Rankine, Carnot, Joule-Brayton, Ericsson, e Stirling. Os ci-clos preferenciais são ciclos de combinação nos quais o sistema de conver-são de biomassa alavanca tanto o calor de escape quanto a utilização sinér-gica de líquidos iônicos de qualquer ciclo termodinâmico único em um ciclotermodinâmico híbrido de alta eficiência. Um modo operacional particular-mente preferencial para o ciclo termodinâmico gerador de força é seleciona-do entre o grupo consistindo em ciclos binários Organic Rankine, Goswami,Kalina, e Carnot. O resultado é máxima geração de força, eficiência de ener-gia global, e emissões de C02 reduzidas.

Com referência à Figura 7, é outra modalidade que representauma significativa redução dos requisitos de energia além do processo "A-FEX" de explosão de fibras de amônia aprimorado. O processo AFEX apri-morado é caracterizado como se segue: A biomassa 300 penetra no proces-so de pré-tratamento 310 depois de ser infundida com energia térmica deuma fonte externa tanto dentro do estágio de pré-tratamento 310 da fonte decalor 555 quanto com a coluna de explosão 520 da fonte de calor 560. A so-lução de biomassa é separada em dois fluxos de pasta semifluida pré-tratada 525 e fluido de trabalho de explosão 530 (o qual é predominante-mente amônia no processo AFEX). O fluido de trabalho de explosão 530 éem seguida infundido com água 540 e misturado 535, o que dispara a cria-ção de energia térmica do calor da absorção. O processo AFEX então passaseqüencialmente através de dois condensadores, com o primeiro sendo umatorre de esfriamento tradicional 545 e o segundo requerendo condensadorde esfriamento ativo 575 (portanto o evaporador de um resfriador) de modoque as soluções combinadas de água e amônia retornam para um líquidorequerendo menos energia para bombear 550 o líquido, ao invés de com-primir um gás. Uma modalidade preferencial integra uma bomba de calefa-ção de absorção/um ciclo gerador de força conforme caracterizado pelo es-tágio gerador/dessorvedor 380 com subseqüente recuperação de calor 390que preaquece a solução forte que está entrando no gerador, a subseqüenteexpansão do fluido de trabalho dessorvido (preferencialmente ScC02 ouamônia supercrítica) com dispositivo de extração de energia integral 70 pro-duzindo um gás expandido de baixa temperatura (isto é, produzindo esfria-mento) dentro do evaporador 510. A modalidade particularmente preferencialintegra o AFEX e a bomba de calefação de absorção tendo comunicaçõesde fluidos em vários pontos. O primeiro aprimoramento é tal que calor deescape é recuperado do condensador 545 que é utilizado no mínimo comoparte da pré-irradiação térmica 565 utilizada antes da fonte de calor 360 (ca-so mesmo necessária dependente da temperatura de dessorção). O segun-do aprimoramento é tal que o esfriamento produzido pela bomba de calefa-ção de absorção tornada disponível para AFEX através do evaporador 510remove a necessidade de modo diverso para equipamento de esfriamentoativo mecânico. O terceiro aprimoramento é a integração direta de um dispo-sitivo de extração de energia 330 capaz de tratar o alto teor de sólidos, en-quanto simultaneamente extraindo energia durante o estágio de rápida ex-pansão. Outro aprimoramento é a utilização de um trocador de pressão 515depois da membrana de filtração/separação 60 em que os sólidos são adi-cionalmente processados por um pós processo de pré-tratamento 570, de talmodo que é recuperada pressão do processo de pré-tratamento com a bio-massa não-pré-tratada 300 para completar o ciclo.

Outro uso significativo de eletricidade é a conversão do subpro-duto de C02 do processo de conversão de biomassa das etapas de fermen-tação (ou mesmo gaseificação/pirólise). O subproduto de C02 com H20 éeletroquimicamente reduzido em metanol, o qual é então subseqüentementeutilizado como um input no processo de esterificação de biodiesel integradopreferencialmente. Esta reação de redução é melhor realizada dentro de ILs,PILs, e/ou LIPs devido à significativa condutividade elétrica em combinaçãocom a elevada absorção de C02. Um meio adicional para aumentar a con-dutividade elétrica e reduzir a viscosidade do fluido de trabalho é adicionan-do solventes de carbonato incluindo carbonato de propileno "PC" e dimetilcarbonato "DMC". Alternativamente, o C02 absorvido pode ser adicional-de carbono ou síntese de carbonato como um meio de energia eficaz paraseqüestrar C02.

A elevada condutividade elétrica (e condutividade térmica a qualreforça a transferência de calor) torna a solução de biomassa superior parauma ampla faixa de reações químicas particularmente aquelas reforçadaspor etapas de processo eletroquímico, de eletrólise, eletrocatalítico, ou foto-catalítico. A inclusão adicional de condutores em nanoescala e semi-condutores como um meio para aumentar a média quântica de caminho li-vre, pontos quânticos, cobre, íons de Fe2+, cluster de ferro-enxofre, ou elec-trides aumentam as taxas de reação. A biodigestão de materiais orgânicospode ser adicionalmente reforçada por etapas de processo eletroquímico.

A presença de doadores de elétrons dentro do processo de con-versão de biomassa, particularmente quando é utilizado processamento ele-troquímico, reduz a taxa de oxidação da hidrólise. Deste modo remover fon-tes de doadores de elétrons antes de hidrólise incluindo lignina, antioxidan-tes, polifenóis, e compostos aromáticos aumenta a taxa de oxidação fotoca-talítica ou enzimática por um mínimo de 10% por toda a conver-são/degradação que ocorre durante a fermentação de solução de biomassapara biocombustíveis incluindo etanol e butanol. Fontes de doadores de elé-trons incluem tocoferóis, antioxidantes, aromáticos, e etc.

Meio adicional para reforçar o processo de conversão é obtidopor inclusão de no mínimo um aditivo de fluido de trabalho selecionado entreo grupo consistindo em mediador de transferência de elétrons incluindo saisde ferro, derivados de sais de ferro, sais de potássio, sais de ácido lático,derivados de sais de potássio, derivados de sais de ácido lático, ácido fítico,ácido gálico, ferricianeto de potássio, polioxometalatos, ácido violírico, prote-ína policatiônica, complexos com ponte tialoto, complexos tiolados, metalo-proteínas, complexos de proteínas tendo um cluster de ferro-enxofre, com-plexos de trealose, cluster de ferro-enxofre, sódio-amônia, enxofre-amônia,um complexo de quitosana incluindo Iactato de quitosana, ácido alfa lipóicode quitosana, e quitosana tiolada, catalisador nanoescala, eletrocatalisador,fotocatalisador, doador de elétrons, aceptor de elétrons, absorvedor ultravio-eta, absorvedor infravermelho, ponto quântico, pó em nanoescala, reforça-dor de transferência de elétrons incluindo sais de ferro, derivados de sais deferro, sais de potássio, sais de ácido lático, derivados de sais de potássio,derivados de sais de ácido lático, ácido fítico, ácido gálico e combinaçõesdos mesmos.

A integração direta e a interdependência entre a bomba de cale-fação de absorção, capacidades de geração de força, transferência de calor,e numerosos co-produtos resultantes requer sistemas de controle bem alémdos requisitos do processo de automação de processos de conversão debiomassa tradicionais. A implementação de um sistema controle tendo algo-ritmos não lineares capaz de determinar o rendimento da operação máximoem tempo real monitorando no mínimo um parâmetro selecionado entre ogrupo consistindo em custo e preço de eletricidade, custo e preço por btu deesfriamento, custo e preço por btu de aquecimento, créditos de emissão dedióxido de carbono, custo e preço de metanol por btu, custo e preço de bio-combustíveis resultantes por btu, fator de conversão de eletricidade parareações eletroquímicas, e parâmetros de operação de uma célula de com-bustível reversa para redução eletroquímica de no mínimo um componenteda solução de biomassa resulta em otimização da produção de receita me-nos despesas operacionais.

Ainda outra modalidade é a integração de um dispositivo de ex-tração de energia dentro da etapa de rápida expansão que ocorre dentro dasetapas de explosão (explosão de fibras de amônia, explosão de vapor, ex-plosão supercrítica). O resultado é a produção simultânea de eletricidade eesfriamento o qual termina o processo de hidrólise. O dispositivo preferencialde extração de energia inclui um rotor do gerador, trocador de pressão, equase-turbina. Estes dispositivos têm a distinta vantagem de permitir a ex-pansão da pressão com mínimo impacto dos sólidos da biomassa. Meio adi-cional para reduzir o tamanho de partícula de celulose precipitada, o qualtambém aumenta a área superficial, utiliza um dispositivo de microcanaistendo canais menores do que 10 micra antes do estágio de expansão. Umamodalidade preferencial utiliza uma etapa de rápida expansão que ocorreem uma série de estágios de queda de pressão independentes consistindoem no mínimo um primeiro estágio de queda de pressão e um segundo es-tágio de queda de pressão. Uma pressão pré-expansão particularmente pre-ferencial é uma pressão maior do que a pressão supercrítica do fluido. Oprimeiro estágio de queda de pressão tem uma pressão abaixo da pressãosupercrítica de no mínimo um fluido de trabalho. A utilização dos no mínimodois estágios de queda de pressão permite a capacidade de geração de má-xima energia (isto é, transformar entalpia da energia térmica da solução debiomassa em eletricidade) ao mesmo tempo que minimizando problemas deviscosidade associados com diminuição gradual de pressão completa dossólidos da biomassa pós-pré-tratamento. O segundo estágio de queda depressão ocorre dentro de um trocador de pressão com fluido de alta pressãosendo a solução de biomassa da saída do processo de pré-tratamento e flui-do de baixa pressão sendo a solução de biomassa antes do processo depré-tratamento, como um meio para aumentar adicionalmente o balanço deenergia do processo de conversão de biomassa.

Com referência à Figura 9 é outra modalidade que aprimora adi-cionalmente o balanço de energia transformando o processo de destilaçãotradidional para o processo de biocombustível (especificamente etanol) emuma etapa produtora de energia tendo maiores eficiências do que as plantasde força de eletricidade de ciclo único tradicionais. O etanol não-desidratado/não-anídrico "EtOH" 780 é preferencialmente bombeado 550para uma pressão acima da pressão supercrítica de no mínimo um doscomponentes dentro da solução de EtOH e H20. A solução 780 é preaque-cida 390 a partir da energia térmica recuperada do vapor água/líquido 540isolado por meios de conhecimento na técnica incluindo nanofiltração 60 esubseqüentemente aquecida por uma fonte de calor do segundo estágio360. O fluido combinado está agora operando no modo de um ciclo OrganicRankine de solução binária tendo uma eficiência operacional prevista decerca de 30% enquanto produzindo simultaneamente fluido supercrítico dealta pressão puro EtOH 785 que é expandido através de um dispositivo deenergia 70 e adicionalmente evaporado 510, preferencialmente pelo evapo-rador da supracitada bomba de calefação de absorção.

Ainda outra modalidade é a infusão de no mínimo um aditivo defluido de trabalho selecionado entre o grupo consistindo em monômeros,polímeros solubilizados em no mínimo um fluido de trabalho, nas microsfe-ras, e pós em nanoescala tendo medida de partícula menor do que 100 na-nômetros. Os aditivos particularmente preferenciais consistem adicionalmen-te de enzimas imobilizadas, catalisadores imobilizados, ou combinações dosmesmos. É obtida distribuição de aditivo superior misturando a solução debiomassa com aditivos por no mínimo um misturador de intensificação doprocesso incluindo dispositivos de cavitação hidrodinâmica, disco de repu-15 xamento, e tubo de repuxamento dentro de tubo. A utilização de microsferasserve a múltiplos propósitos incluindo imobilização das enzimas para fácilreuso e recuperação das enzimas, redução da aglomeração de sólidos dabiomassa pós-pré-tratamento, redução da densidade do nanocomposto en-quanto se aumenta a força polimérica. Os sólidos da biomassa resultante, o20 mais notavelmente celulose, são adicionalmente processados em polímeros,copolímeros, ou copolímeros em bloco.

Seqüestração de Dióxido de Carbono - Outra característica dosistema de conversão de biomassa da invenção é o subseqüente processa-mento do dióxido de carbono dessorvido pós expansão, como um meio para25 seqüestrar o subproduto de dióxido de carbono incluindo meio para polimeri-zação de dióxido de carbono ou síntese de carbonato. Utilizando o dióxidode carbono dessorvido, o qual permanece um fluido de transferência térmicade alta pressão, continua a ter tensão superficial relativamente baixa permi-tindo que ocorram reações químicas dentro de um microrreator.30 Fluidos de Trabalho Supercríticos - Ainda outra características

do sistema de conversão de biomassa é a utilização de soluções binárias emesmo ternárias, reconhecidas na técnica, tendo a capacidade de penetrarem regiões por meio do que os componentes da solução variam da faixamiscível, parcialmente miscível, até imiscível. Estas variações permitem mé-todos de baixa energia para separar a solução dentro da faixa imiscível sim-plesmente decantando, centrifugando, ou isolando de outro modo os com-5 ponentes fluidos imiscíveis. Métodos de transição entre a faixa miscível aimiscível são realizados variando no mínimo um parâmetro selecionado en-tre o grupo consistindo em pressão e temperatura. Deste modo o ScC02, oqual é fluido de transferência térmica preferencial é isolado da solução debiomassa, para utilização dentro do ciclo termodinâmico como um meio para10 produzir calor, esfriamento, potência, ou combinações dos mesmos com aintegração inventiva do processo de conversão de biomassa com um siste-ma de bomba de calefação de absorção de ScC02. Um fluido de trabalhopreferencial para o ciclo termodinâmico de absorção é um líquido iônico,embora um ciclo de absorção/dessorção de ciclagem de fundo integrada15 seja realizado de modo eficaz utilizando fluidos binários consistindo em nomínimo materiais selecionados entre o grupo consistindo em líquidos orgâni-cos, alcoóis, amônia, água, dióxido de carbono, cloreto/brometo de lítio oucombinações dos mesmos.

Alguns fluidos binários particularmente preferenciais são fluidos20 supercríticos. A pressão máxima da solução de biomassa supercrítica estásignificantivamente em excesso de 12,9 MPa (600 psia). A elevada pressãolateral é um mínimo de 9,65 MPa (1400 psia) quando a composição binária éacetato de isobutila ou acetato de amila. A pressão especificamente prefe-rencial é até 34,47 MPa (5.000 psia) para líquidos iônicos que têm estabili-25 dade térmica até 450 graus Celsius.

Com referência à Figura 2, a inclusão adicional de água 120,especialmente ao operar em uma pressão máxima em excesso da pressãosupercrítica requerida para água, permite o benefício adicional de aumenta-da taxa de conversão em combustíveis. Portanto uma solução de biomassa30 especificamente preferencial 10 consiste em no mínimo fluidos selecionadosentre o grupo consistindo em líquidos iônicos, dióxido de carbono, e água.Um modo de implementação preferencial é a mistura do dióxido de carbonosupercrítico, líquido iônico, e biomassa com a água supercrítica dentro deum trocador de calor de microcanais 130. A utilização do trocador de calorde microcanais geralmente minimiza o tamanho de partícula da celuloseprecipitada para menos de cerca de 10 micra. Os produtos da reação são5 então opcionalmente separados imediatamente depois do reator de micro-canais por métodos de separação conhecidos na técnica 60. Outro processode separação subseqüente ocorre depois do primeiro estágio de extração deenergia 70, o qual em seguida passa através de uma extração de energia 70que neste caso é idealmente um trocador de pressão. O ScC02 dessorvido10 é seqüestrado 160 e adicionalmente processado em uma modalidade prefe-rencial em um co-produto adicionado de alto valor sendo transformado qui-micamente dentro de um misturador/reator de microcanais de alta produtivi-dade (a.k.a. misturador/reator de intensificação do processo) 170. Alternati-vamente ou imediatamente antes do trocador de calor de microcanais está a15 mistura do dióxido de carbono supercrítico, líquido iônico, e biomassa com aágua supercrítica por cavitação hidrodinâmica, a qual também tem benefíciode misturar intimamente virtualmente instantaneamente.

Integração do Ciclo de Absorção - A solubilização da biomassaem uma temperatura não excedendo 60 graus Celsius permite que o absor-20 vedor seja "resfriado" pela biomassa em temperatura ambiente como ummeio para aumentar a eficiência do lado de baixa temperatura e baixa pres-são do sistema de absorção. Criando os referidos sistemas de absorção deefeito de múltiplos estágios, conforme de conhecimento na técnica, reforçaadicionalmente tanto a eficiência da bomba de calefação de absorção quan-25 to o processo de conversão de biomassa para combustível.

A integração adicional do ciclo de absorção e a solução de pro-cesso de pré-tratamento da biomassa permite a expansão da solução debiomassa para não somente obter rápido esfriamento para a extinção sub-seqüente da reação de hidrólise, mas também a extração de energia concor-30 rente (a qual pode ser ou mecânica ou elétrica através de métodos conheci-dos na técnica de geração de força). A solução é rapidamente extinta por nomínimo uma etapa do processo selecionado entre o grupo consistindo noprocessamento seqüencial de cavitação hidrodinâmica e expansão da solu-ção de biomassa supercrítica, expansão seqüencial da solução de biomassasupercrítica para abaixo da pressão supercrítica da água seguida pela etapade expansão da solução de biomassa supercrítica para abaixo da pressão5 supercrítica do dióxido de carbono. Uma etapa opcional para realizar se-qüestração de dióxido de carbono pode ser obtida em vários pontos do inícioao fim do sistema de conversão de biomassa (um ponto de seqüestraçãosemelhante é depois da expansão da solução de biomassa para abaixo doponto no qual existe um componente de vapor d'água significativo, o qual é10 largamente uma função da etapa pós-ScC02 conforme de conhecimento natécnica variando de reações químicas produzindo produtos de carbonato atépolimerização. A introdução do estágio de expansão intermediário permiteque a água seja isolada da solução de biomassa como um meio adicionalpara controlar a taxa de conversão da biomassa para combustível.15 A separação dos componentes dentro da solução de biomassa é

realizada por meios incluindo no mínimo um método selecionado entre ogrupo consistindo em nanofiltração, decantação de componentes da soluçãoimiscíveis, ou combinações dos mesmos. Cada estágio de expansão tem ainclusão adicional de dispositivos de extração de energia para produzir ener-20 gia mecânica ou elétrica e/ou precedido respectivamente por meios de filtra-ção conforme de conhecimento na técnica.

Um plano de ação típico é mostrado na Figura 4 que revela asmúltiplas áreas onde fluidos de transferência de calor através de trocadoresde calor estão em comunicação de fluidos entre uma processo de pré-25 tratamento de conversão de combustível de biomassa e um sistema debomba de calefação de absorção. A série de etapas tendo transferência decalor incluem: a) biomassa é combinada com líquido iônico em uma soluçãode biomassa 300; b) Etapa de pré-tratamento incluindo aumentar a tempera-tura e a pressão da solução por meios térmicos 310; c) Recuperação de ca-30 Ior 320 da solução de pós-pré-tratamento utilizada como no mínimo o primei-ro estágio de proporcionar energia térmica (fonte térmica 360) para o gera-dor da bomba de calefação de absorção 380; d) Expansão através do dispo-sitivo de extração de energia 330 da solução de pré-tratamento seguida porfiltração/separação dos subprodutos 60, as quais podem ser alternativamen-te antes da etapa de expansão; e e) Recuperação de calor 350 do produtofinal da solução de biomassa do pré-tratamento através de um trocador de5 calor como um sorvedouro de calor 420 o qual é utilizado para pré-irradiaçãotérmica da biomassa como um meio para reduzir os requisitos da energiatérmica, e adicionalmente preaquecimento da biomassa a partir da energiatérmica recuperada do absorvedor da bomba de calefação de absorção 410o qual também inclui calor de absorção além da energia térmica transferida10 durante o dispositivo de evaporador de esfriamento de absorção/expansãode energia 70 transferida através de um sorvedouro de calor trocador de ca-lor 370 de conhecimento na técnica. Bombas de calefação de absorção, con-forme de conhecimento na técnica, têm uma série de trocadores de calorpara recuperação de calor 390 como um meio para aumentar o Coeficiente15 de Performance de Esfriamento, incluindo pré-esfriamento do gás dessorvi-do com recuperação de calor para forte preaquecimento da solução antes deatingir o gerador 380.

Outro plano de ação típico é mostrado na Figura 5 que tambémrevela as múltiplas áreas onde fluidos de transferência de calor através de20 trocadores de calor estão em comunicação de fluidos entre um processo depré-tratamento de conversão de combustível de biomassa e um sistema debomba de calefação de absorção. A série de etapas tendo transferência decalor incluem: a) Biomassa é combinada com líquido iônico em uma soluçãode biomassa 300 depois de ser preaquecida por calor removido do absorve-25 dor do ciclo termodinâmico de calor de absorção 410 através de trocador decalor de recuperação de calor (sorvedouro de calor 420); b) Etapa de pré-tratamento incluindo primeiro estágio de aumentar adicionalmente a tempe-ratura e a pressão da solução por meios térmicos 370 e outro processamen-to catalítico ou enzimático como um meio para transformar a biomassa em30 uma série de subprodutos conforme de conhecimento na técnica para con-versão final para combustível; c) A temperatura da solução de biomassa éadicionalmente aumentada por meios térmicos 360 para dentro do gera-dor/dessorvedor 380; d) subprodutos do pré-tratamento da biomassa sãoisolados 60 do ScC02 dessorvido utilizando meios de conhecimento na téc-nica; e) recuperação de calor 390 do ScC02 dessorvido, o qual serve comopré-esfriamento do ScC02 subseqüentemente transferindo a energia térmica5 para o segundo estágio de preaquecimento da solução de biomassa dentrodo processo de pré-tratamento 310; e o ciclo termodinâmico de absorção écompletado através de um estágio de expansão em que o ScC02 converte aenergia térmica para energia mecânica ou elétrica através de dispositivo deextração de energia 70 conforme de conhecimento na técnica.10 A integração adicional de concentração solar e painel plano co-

mo uma fonte térmica com a solução de biomassa supercrítica e uma etapafotocatalítica, tal como incluindo Ciba® TINOLUX® BBS em um concentradorsolar supercrítico (ou painel plano solar supercrítico) produz um sistema fo-tocatalítico altamente eficaz e reactivo. O resultado é um sistema fotovoltáico15 híbrido e combustível de biomassa, sem ser limitado pela teoria, que obtéma alta eficiência de conversão de elétrons localizados para realizar degrada-ção de oxidação da biomassa.

Um líquido iônico típico para o sistema de conversão de biomas-sa da invenção é o uso do mesmo líquido iônico utilizado no estudo de ama-20 durecimento da fruta por espectroscopia por CRMN de alta resolução:" 'greerí solvents meet green bananal de Diego A. Fort, Richard P. Swatlos-ki, Patrick Moyna, Robin D. Rogers, e Guillermo Moyna, recebido (em Co-lumbia, MO, EUA) em 23 de outubro de 2005, aceito em 15 de dezembro de2005, e primeiro publicado como um Artigo Adiantado na web em 19 de ja-25 neiro de 2006 em que polpas de banana em qualquer estágio de foram com-pletamente dissolvidas, que é no cloreto de IL 1-n-butil-3-metilimidazólio([C4mim]CI. ILs são capazes de dissolver carboidratos variando deste sim-ples açúcares até polissacarídeos. Sem ser limitado pela teoria, os íons clo-reto não hidratados solvatam carboidratos formando ligações de hidrogênio30 com seus grupamentos oxidrila que por sua vez rompem a rede de ligaçãode hidrogênio intermolecular complexa presente em muitos polissacarídeose promovem sua dissolução.Co-produtos de Alto Valor - Outra modalidade consiste em ummeio para alterar a composição da fração de proteína dentro da solução debiomassa. Particularmente a fração de proteína é preferencialmente hidroli-sada em peptídeos e aminoácidos de cadeia ramificada.

Um processo particularmente preferencial de pré-tratamento o-corre em temperaturas onde a fração de proteína da solução de biomassa ésubmetida a mínima desnaturação. A utilização de enzimas para hidrolisarsimultaneamente celulose, hemicelulose, e Iigninacelulose com hidrólise deproteína é uma abordagem única. O processamento de proteínas para hidro-10 Iisados de proteína, aminoácidos livres ou peptídeos quando combinado commediadores de transferência de elétrons serve a finalidade dupla de reduziro amargor dos hidrolisados de proteína, aminoácidos livres, ou peptídeosresultantes depois de servir a finalidade de reforçar a taxa de hidrólise du-rante o processo de pré-tratamento. Esta finalidade dupla tem a vantagem15 adicional de não requerer extração do mediador de transferência de elétrons,quando o referido mediador de transferência de elétrons é um ingrediente degrau alimentar.

O método especificamente preferencial para processar uma so-lução de biomassa consiste adicionalmente de aditivos de redução do amar-20 gor tendo tanto a capacidade de reduzir o sabor amargo dos peptídeos eaminoácidos livres, quanto de aumentar a taxa de no mínimo uma reaçãoselecionada entre o grupo consistindo em hidrólise de celulose, hidrólise deproteína, hidrólise de ligninacelulose, redução eletroquímica de subprodutosde conversão de biomassa incluindo dióxido de carbono, biodigestão eletro-25 química, e oxidação eletroquímica de solução de biomassa. Aditivos de du-pla finalidade adicionais (aditivos de redução do amargor e de reforço daconversão de biomassa) incluem trealose (proporcionam estabilidade térmi-ca a enzimas e proteínas), mediadores de transferência de elétrons, doado-res de elétrons incluindo ácido lático, íons minerais selecionados entre o30 grupo consistindo em cálcio, ferroso, cúprico, manganoso e magnésio (refor-çando a transferência de elétrons e impactando receptores de sabor).A fonte de biomassa é uma matéria-prima selecionada entre o grupo consis-tindo em grão seco de destilador com solúveis, milho, capim, aveia, e arroz.

Ainda outra modalidade é o isolamento de frações de proteínapossibilitando que sistemas de filtração de membrana operem de modo efi-caz em pressões maiores do que a pressão do design da membrana comoum meio para aumentar a eficiência do isolamento. Portanto o sistema defiltração de membrana consiste adicionalmente de um detector/controladorpara manter a pressão através de uma membrana de microfiltração ou nano-filtração como um meio para isolar frações de proteína incluindo hidrolisadosde proteína, aminoácidos, e peptídeos em que a pressão através da mem-brana de microfiltração ou nanofiltração é um diferencial de pressão, e emque o diferencial de pressão é menor do que a pressão operacional máximada membrana de microfiltração ou nanofiltração.

Claims (41)

1. Solução de biomassa consistindo em uma solução de pré-tratamento, em que a solução de pré-tratamento compreende no mínimo umfluido de trabalho selecionado entre o grupo consistindo em fosfatos iônicoslíquidos, sulfonamidas líquidas tônicas de poliamônio, e poli(iônicos líquidos),e combinações dos mesmos.

2. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 1, emque o fluido de trabalho consiste adicionalmente de no mínimo um gás sele-cionado entre o grupo consistindo em dióxido de carbono, amônia, e metano.

3. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 1, con-sistindo adicionalmente em enzimas tendo no mínimo função hidrolisanteselecionada entre o grupo consistindo em celulose, hemicelulose, Iigninace-lulose, e hidrólise de proteína.

4. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 3, emque as enzimas são imobilizadas ao no mínimo um fluido de trabalho.

5. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 4, emque a solução de biomassa consiste adicionalmente de irradiação de micro-ondas para aumentar a taxa de hidrólise por um mínimo de cerca de 10% eem que a temperatura de hidrólise da solução de biomassa é no mínimo 5graus Fahrenheit menor do que o vácuo do processo de pré-tratamento dairradiação de microondas.

6. Solução de biomassa consistindo em uma solução de pré-tratamento, em que a solução de pré-tratamento consiste em uma bomba decalefação de absorção tendo no mínimo um componente do fluido de traba-Iho em comunicação de fluidos com o processo de pré-tratamento, em que ono mínimo um componente do fluido de trabalho é ou o refrigerante ou o ab-sorvente de refrigerante da bomba de calefação de absorção, e em que o nomínimo um fluido de trabalho aumenta a área de superfície da biomassa noprocesso de pré-tratamento.

7. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 6, emque o refrigerante da bomba de calefação de absorção remove umidade dasolução de biomassa.

8. Solução de biomassa consistindo em no mínimo um primeirocomponente do fluido de trabalho A1 de uma biomassa para processo deconversão de biocombustível em comunicação de fluidos com uma biomas-sa para processo de conversão de biodiesel.

9. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 8, emque o no mínimo um primeiro componente do fluido de trabalho A1 é umsubproduto do processo de conversão de biodiesel incluindo glicerina ouglicerol, e reduz o teor de umidade da biomassa da biomassa para processode conversão de biocombustível.

10. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 9, con-sistindo adicionalmente em um processo de regeneração para remover umi-dade a partir do no mínimo um primeiro componente do fluido de trabalhoA1, e em que o processo de regeneração utiliza calor de escape recuperadode um no mínimo um segundo componente do fluido de trabalho A2 em co-municação de fluidos tanto com biomassa para processo de conversão debiocombustível quanto com biomassa para processos de conversão de bio-diesel.

11. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 8, con-sistindo adicionalmente em um ciclo de geração de força para produzir ele-tricidade utilizada para no mínimo uma função selecionada entre o grupoconsistindo em irradiação de microondas, redução eletroquímica, e eletróli-se.

12. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 8, con-sistindo adicionalmente em um processo de redução eletroquímica paraconverter subproduto de dióxido de carbono da biomassa para processo deconversão de biocombustível para uma entrada para a biomassa para pro-cesso de conversão de biocombustível.

13. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 8, con-sistindo adicionalmente em solventes de carbonato como um meio para au-mentar a condutividade elétrica e reduzir no mínimo a viscosidade de umfluido de trabalho.

14. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 12, emque o subproduto de dióxido de carbono é absorvido por no mínimo um flui-do de trabalho A1.

15. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 14, emque o subproduto de dióxido de carbono absorvido pelo no mínimo um fluidode trabalho A1 é adicionalmente processado por meios incluindo reações depolimerização de dióxido de carbono, síntese de carbonato, ou redução ele-troquímica para metano.

16. Solução de biomassa consistindo em uma solução de pré-tratamento, em que a solução de pré-tratamento consiste em no mínimo umaetapa selecionada entre o grupo consistindo em etapa de processo eletro-químico, de eletrólise, eletrocatalítico, e fotocatalítico, e em que a solução depré-tratamento consiste em no mínimo um aditivo de fluido de trabalho sele-cionado entre o grupo combinação de condutores em nanoescala e semi-condutores como um meio para aumentar a média quântica de caminho livre(quantum mean free path), líquidos iônicos, fosfatos iônicos líquidos sulfo-namidas líquidas iônicas de poliamônio, pontos quânticos (quantum dots),cobre, íons Fe2+, cluster de ferro-enxofre, ou electrides.

17. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 16,consistindo adicionalmente em uma etapa do processo para remover fontesde doadores de elétrons antes de hidrólise incluindo lignina, antioxidantes,polifenóis, e compostos aromáticos.

18. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 16,consistindo adicionalmente em no mínimo um aditivo de fluido de trabalhoselecionado entre o grupo consistindo em mediador de transferência de elé-trons incluindo sais de ferro, derivados de sais de ferro, sais de potássio,sais de ácido lático, derivados de sais de potássio, derivados de sais de áci-do lático, ácido fítico, ácido gálico, ferricianeto de potássio, polioxometalatos,ácido violúrico, proteína policatiônica, complexos ligados por ponte de tialoto,complexos tiolados, metaloproteínas, complexos de proteína tendo um clus-ter de ferro-enxofre, complexos de trealose, cluster de ferro-enxofre, sódio-amônia, enxofre-amônia, um complexo de quitosano incluindo Iactato de qui-tosano, ácido alfa lipóico de quitosano, e quitosano tiolado, catalisador emnanoescala, eletrocatalisador, fotocatalisador, doador de elétrons, aceptor deelétrons, absorvedor ultravioleta, absorvedor infravermelho, ponto quântico,pó em nanoescala, reforçador de transferência de elétrons incluindo sais deferro, derivados de sais de ferro, sais de potássio, sais de ácido lático, deri-vados de sais de potássio, derivados de sais de ácido lático, ácido fítico, áci-do gálico e combinações dos mesmos.

19. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 16,consistindo adicionalmente em um sistema controle com algoritmos não li-neares capaz de determinar o rendimento da operação máximo em temporeal monitorando no mínimo um parâmetro selecionado entre o grupo consis-tindo em custo e preço da eletricidade, custo e preço de esfriamento por btu,custo e preço de aquecimento por btu, créditos de emissão de dióxido decarbono, custo e preço de metanol por btu, custo e preço de biocombustíveisresultantes por btu, fator de conversão de eletricidade para reações eletro-químicas, e parâmetros de operação de uma célula de combustível reversapara redução eletroquímica de no mínimo um componente da solução debiomassa.

20. Solução de biomassa consistindo em um processo de hidró-lise, em que o processo de hidrólise é terminado dentro de uma etapa derápida expansão contida adicionalmente dentro de um dispositivo de extra-ção de energia incluindo rotor do gerador, trocador de pressão, e quase tur-bina, ou um dispositivo de microcanais tendo canais menores do que 10 mi-cra como um meio para reduzir celulose precipitada.

21. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 20, emque a etapa de rápida expansão ocorre em uma série de estágios de quedade pressão independentes consistindo em no mínimo um primeiro estágio dequeda de pressão e um segundo estágio de queda de pressão.

22. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 21,consistindo adicionalmente em no mínimo um fluido de trabalho tendo umapressão maior do que a pressão supercrítica de no mínimo um fluido de tra-balho.

23. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 21, emque o primeiro estágio de queda de pressão tem uma pressão abaixo dapressão supercrítica de no mínimo um fluido de trabalho.

24. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 21, emque a solução de biomassa é infundida com no mínimo um aditivo de fluidode trabalho selecionado entre o grupo consistindo em monômeros, políme-ros solubilizados no mínimo um fluido de trabalho, microsferas, e pós emnanoescala tendo medida de partícula menor do que 100 nanômetros.

25. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 21, emque a solução de biomassa é misturada por no mínimo um misturador deintensificação do processo incluindo dispositivos de cavitação hidrodinâmica,disco de repuxamento, ou tubo de repuxamento dentro de tubo.

26. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 24, emque as microsferas consistem adicionalmente de enzimas imobilizadas, cata-lisadores imobilizados, ou combinações dos mesmos.

27. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 24, emque o aditivos de fluido de trabalho são adicionalmente processados em po-límeros, copolímeros, ou copolímeros em bloco.

28. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 21, emque o segundo estágio de queda de pressão ocorre dentro de um trocadorde pressão em que o fluido de alta pressão é a solução de biomassa da saí-da do processo de pré-tratamento e em que o fluido de baixa pressão é asolução de biomassa antes do processo de pré-tratamento.

29. Solução de biomassa consistindo em um processo de pré-tratamento de rápida expansão tendo um gás expandido e um ciclo termodi-nâmico gerador de força em que o gás expandido do processo de pré-tratamento está em comunicação de fluidos com um condensador do ciclotermodinâmico gerador de força como um meio para aumentar a eficiênciado ciclo termodinâmico tanto do processo de pré-tratamento da biomassaquanto do ciclo termodinâmico gerador de força.

30. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 29,consistindo adicionalmente em um dispositivo de recuperação de calor deescape para recuperar energia térmica a partir do condensador do ciclo ter-modinâmico gerador de força em que a energia térmica é adicionalmenteaumentada pelo calor de absorção na mistura subseqüente do gás expandi-do em no mínimo um absorvente antes de recombinar com a solução de bi-omassa.

31. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 30, emque o calor da absorção está em comunicação de fluidos com o ciclo termo-dinâmico gerador de força como um estágio de pré-irradiação térmica.

32. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 29,consistindo adicionalmente em uma etapa do processo de recuperação decalor de escape em que o calor de escape é utilizado para no mínimo umafunção selecionada entre o grupo consistindo em preaquecimento das entra-das do processo de pré-tratamento de rápida expansão, bomba hidráulicatérmica, e entradas térmicas de uma bomba de calefação de absorção comoum meio para aumentar a pressão dos fluidos.

33. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 29,consistindo adicionalmente em um dispositivo de recuperação de calor deescape para recuperar energia térmica a partir do condensador do ciclo ter-modinâmico gerador de força em comunicação de fluidos com a solução debiomassa e em que a energia térmica é utilizada como no mínimo uma fontede energia térmica parcial para uma reação endotérmica.

34. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 29, emque o ciclo termodinâmico gerador de força consiste em um fluido de traba-lho tendo no mínimo um primeiro fluido de trabalho W1 e um segundo fluidode trabalho W2.

35. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 34, emque o primeiro fluido de trabalho W1 e o segundo fluido de trabalho W2 sãocada um individualmente selecionados entre o grupo consistindo em dióxidode carbono, amônia, metanol, etanol, butanol, e água.

36. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 29, emque o ciclo termodinâmico gerador de força é selecionado entre o grupoconsistindo dos ciclos binários Organic Rankine, Goswami, Kalina, e Carnot.

37. Solução de biomassa consistindo em uma fração de proteí-na, em que a fração de proteína é preferencialmente hidrolisada em peptí-deos e aminoácidos de cadeia ramificada.

38. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 37, emque a fração de proteína hidrolisada em peptídeos e aminoácidos de cadeiaramificada consiste adicionalmente de aditivos de redução do amargor tendotanto a capacidade para reduzir o sabor amargo dos peptídeos e aminoáci-dos livres, e aumentar a taxa de no mínimo uma reação selecionada entre ogrupo consistindo em hidrólise de celulose, hidrólise de proteína, hidrólise deligninacelulose, redução eletroquímica de subprodutos de conversão de bi-omassa incluindo dióxido de carbono, biodigestão eletroquímica, e oxidaçãoeletroquímica de solução de biomassa.

39. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 38, emque os aditivos de redução do amargor incluem trealose, mediadores detransferência de elétrons, doadores de elétrons incluindo ácido lático, íonsminerais selecionados entre o grupo consistindo em cálcio, ferroso, cúprico,manganoso, e magnésio.

40. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 37, emque a solução de biomassa é uma matéria-prima selecionada entre o grupoconsistindo em grão seco de destilador com solúveis, milho, capim, aveia, earroz.

41. Solução de biomassa de acordo com a reivindicação 37,consistindo adicionalmente em um detector/controlador para manter a pres-são através de uma membrana de microfiltração ou nanofiltração como ummeio para isolar frações de proteína incluindo hidrolisados de proteína, ami-noácidos, e peptídeos, em que a pressão através da membrana de microfil-tração ou nanofiltração é um diferencial de pressão, e em que o diferencialde pressão é menor do que a pressão de operação da membrana de micro-filtração ou nanofiltração máxima.