BRPI0821744B1 - Process of conversion of aqueous solutions of lignocellulose solids, comprehending a solid content of 1 to 20% of dry matter - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO DE CONVERSÃO DE SOLUÇÕES AQUOSAS DE SÓLIDOS LIGNOCELULÓSICOS, COMPREENDENDO UM TEOR EM SÓLIDOS COMPREENDIDO ENTRE 1 E 20% DE MATÉRIA SECA".

Domínio técnico [001] A presente invenção refere-se a um processo de conversão de solução aquosa de sólidos lignocelulósicos, compreendendo um teor em sólidos compreendido entre 1 e 20% de matéria seca, esse processo compreendendo uma etapa a) de compressão dessa solução de maneira a separar a fase líquida presente nos e entre os sólidos da fase sólida comprimida e uma etapa b) de extração de pelo menos a fase líquida, essa fase líquida sendo, em seguida, tratada / homogeneizada por tratamentos térmicos e/ou químicos e reinjetada sobre a fase sólida comprimida.

[002] A presente invenção refere-se, portanto, ao domínio dos processos de conversão de solução de sólidos lignocelulósicos com teor elevado em sólidos, expressos em percentagem de matéria seca, esses processos sendo particularmente interessantes no caso de reações limitadas pelos reagentes e/ou inibidas pelos produtos de reação.

[003] Entende-se por matéria seca a quantidade de matéria insolúvel inicialmente acrescentada em relação ao peso total da mistura reacional.

[004] De acordo com a presente invenção, a matéria seca é constituída de matéria insolúvel e em particular de sólidos granulares que em solução aquosa se apresentam sob a forma de grumos com-pressíveis. Esses sólidos granulares são vantajosamente constituídos de: [005] - biomassa lignocelulósica antes ou depois do pré-tratamento e, em particular, a pasta de papel, a palha e/ou o farelo de cereais, o bagaço de cana-de-açúcar, a polpa de beterraba ou os cavacos de madeira.

[006] As soluções aquosas de materiais lignocelulósicos têm uma reologia que depende do teor em sólido, e mais particularmente do teor em celulose que intumesce, quando é colocada em solução.

[007] A pasta de papel, que contém 70% de celulose, é trabalhada nas usinas de pasta de papel a concentrações em sólidos inferiores a 4 - 5% MS (matéria seca). A essas concentrações, as soluções se comportam como líquidos e são utilizadas com as tecnologias clássicas e simples: bombas, tubos, reatores de tipo cuba, agitadores. A concentrações mais fortes, as misturas águas - pasta de papel se compõem de grumos de sólido embebidos em água em contato uns com os outros e colando pouco uns nos outros. A mistura não tem nem as propriedades de escoamento dos líquidos, nem aquelas dos sólidos secos divididos. Em particular, a agitação é muito difícil: ou os internos de mistura colocam a pasta em movimento de tipo bloco (sem agitação), ou eles cisalham a pasta em vários blocos. As utilizações dessas misturas são delicadas: as bombas são substituídas, por exemplo, por parafusos sem fim, ou esteiras ou dispositivos com caçambas. Esse tipo de mistura é, na realidade, utilizado de maneira transitória, seja quando de uma secagem e a obtenção de um sólido seco (60-90% MS), seja quando de uma colocação em solução de um sólido seco.

[008] As outras biomassas lignocelulósicas contêm geralmente 30% de celulose, de modo que elas intumescem menos e podem ser operadas como líquidos até teores em matéria seca de 10% aproximadamente.

[009] O objetivo da presente invenção é de fornecer um processo de conversão de solução de sólidos lignocelulósicos compreendem um teor elevado em sólidos expresso em percentagem de matéria seca, de maneira a permitir tratamentos em faixas nas quais as reações são habitualmente incompletas, nas quais a distribuição dos reagentes e nas quais os fenômenos de inibição por concentração dos produtos levam a cinéticas mais lentas e/ou rendimentos de reações menos interessantes.

[0010] Um outro objetivo da invenção é a aplicação desse processo para a reação de hidrólise enzimática. Técnica anterior [0011] A patente US 7 267 049 B2 descreve um aparelho de tipo prensa para reduzir o teor em água de uma pasta, por meio de um sistema com parafuso. A fase líquida e a fase concentrada em sólido são extraídas separadamente.

[0012] A presente invenção utiliza essa propriedade dos sistemas com parafusos para favorecer as reações em meio pastoso, mas se diferencia notadamente pelo fato de a separação ser temporária e o sólido ser de novo misturado ao líquido homogeneizado, de maneira a melhorar o rendimento e/ou a seletividade da reação.

[0013] A patente US 7 217 340 2 pertence a um outro domínio que aquele da conversão de solução de sólidos lignocelulósicos, compreendendo um teor elevado em sólidos e descreve uma composição adoçante e sua utilização no tratamento dos materiais celulósicos contendo fibras, tais como papel, os têxteis e as amostras de tecidos. Em particular, nessa patente, o teor em fibra da pasta de papel é aumentado até 7% de matéria seca por uma prensagem sob vácuo e até 25% de matéria seca por passagem em cilindros que comprimem a pasta em uma folha. Trata-se, portanto, de um tratamento final.

[0014] A hidrólise enzimática é uma reação enzimática de conversão do substrato (sólido) celulósico em celobiose (produto intermediário), depois em glicose (açúcar final). As enzimas são as de melhor desempenho em uma faixa estreita de temperatura e de pH, geralmen- te 50“60Ό e pH = 4,5-5,5. As reações são inibidas pelo açúcar final e muito fortemente inibidas pela celulose, as inibições aumentando com as concentrações locais.

[0015] Com referência à hidrólise enzimática de biomassa lignoce-lulósica, o teor máximo em sólido expresso em percentagem de matéria seca geralmente admitida é de 2 a 5%. Além disso, as seguintes problemáticas aparecem: - aumento local dos teores em celobiose, intermediário de reação que inibe as reações de hidrólise da celulose; - aumento local dos teores em glicose, produtos da reação, que inibe também as reações de conversão; - a não homogeneidade de distribuição das enzimas; - a não homogeneidade do pH levando a operações que fornecem níveis maiores ou menores de desempenho de acordo com os locais; - a não homogeneidade das temperaturas.

[0016] Todas essas limitações aumentam com o teor em matéria seca. Ora, é economicamente interessante poder trabalhar com teor mais elevado em matéria inicial; (mais celulose), pois isto leva a concentrações em açúcares mais elevadas e em consequência em teores em álcool mais elevados. Isto permite reduzir os custos de destilação para o álcool puro, significativos no preço de custo.

Objeto e interesse da invenção [0017] A presente invenção se refere a um processo de conversão de solução aquosa de sólidos lignocelulósicos compreendendo um teor em sólidos compreendido entre 1 e 20% de matéria seca, esse processo compreendendo uma etapa a) de compressão dessa solução, de maneira a separar a fase líquida presente nos e entre os sólidos da fase sólida comprimida e uma etapa b) de extração de pelo menos a fase líquida, essa fase líquida sendo em seguida tratada i homogenei- zada por tratamentos térmicos e/ou químicos e reinjetada sobre a fase sólida comprimida.

[0018] O processo, de acordo com a presente invenção, permite, portanto, homogeneizar as condições de reações sobre pastas formadas de grumos compressíveis por uma renovação completa da fase líquida presente nos grumos e sua substituição por um líquido homogeneizado (concentrações, pH, temperatura,...).

[0019] Os grumos são prensados, de maneira a evacuar o líquido presente nos poros dos grumos. A fase líquida recuperada, quando da prensagem é então misturada facilmente com uma homogeneização de todos os parâmetros influindo sobre a reação: concentrações, pH, temperatura,... A fase líquida homogeneizada é recolocada em contato com os grumos comprimidos constituindo a fase sólida comprimida que reabsorvem em alguns segundos qualquer líquido com o qual são colocados em contato. Todos os grumos são, então, expostos a condições reacionais idênticas e mais favoráveis à reação do que antes da aplicação do processo.

[0020] Esse processo permite também conseguir condições reacionais idênticas, independentemente do tamanho dos grumos. Descrição das figuras [0021] A figura 1 representa o modo de realização do reator com pistão, no qual a reação de conversão de solução aquosa lignoceluló-sica e a etapa a) de compressão do processo, segundo a invenção, ocorreram.

[0022] A figura 2 representa o modo de realização do reator com pistão no qual o pistão é um pistão rotativo e ilustra também os meios de malaxagem, consistindo em protuberâncias formando ressalto sobre uma parte pelo menos da altura da fase sólida comprimida.

[0023] A figura 3 representa o modo de realização do reator com parafuso, no qual a reação de conversão de solução aquosa lignocelu- lósica e a etapa a) de compressão do processo, de acordo com a invenção» ocorreram.

[0024] A figura 4 representa os diferentes modos de reinjeção e de dispersão da fase sólida oriunda da etapa b) de extração na cabeça do reator com parafuso, o parafuso em fundo de cuba não estando representado na figura. A figura 5 representa a concentração em produto A, em função da duração de reação, segundo o exemplo 3.

Descrição detalhada da invenção [0025] A invenção descreve um processo de conversão de solução aquosa de sólidos lignocelulósicos compreendendo um teor em sólidos compreendido entre 1 e 20%, de preferência compreendido entre 1 e 15% e de maneira muito preferida superior a 8% e de maneira ainda mais preferida compreendido entre 8 e 15% de matéria seca, esse processo compreendendo uma etapa a) de compressão dessa solução de maneira a separar a fase líquida presente nos e entre os sólidos da fase sólida comprimida e uma etapa b) de extração de pelo menos a fase líquida, essa fase líquida sendo em seguida homogeneizada por tratamentos térmicos e/ou químicos e misturada de novo à fase sólida.

[0026] A etapa a) de compressão é vantajosa mente realizada de acordo com um eixo de compressão vertical ou em um parafuso.

[0027] Essa etapa a) é também vantajosamente realizada sob agitação para melhorara homogeneização.

[0028] A fase líquida coletada é vantajosa mente injetada de maneira dispersada, de modo a aspergir uniformemente a superfície superior da fase sólida. A dispersão é vantajosa mente realizada por uma rede de bocais de alimentação que gera gotas uniformemente repartidas.

[0029] A descrição da invenção é feita com referência às figuras 1 a 4.

[0030] De acordo com um primeiro modo de realização, representado na figura 1, a etapa a) de compressão do processo, de acordo com a invenção, é vantajosamente aplicada em um reator (1) que comporta um pistão de compressão perfurado (2), esse pistão de compressão comportando 3 elementos distintos: - uma grade perfurada (3) deixando passar o líquido e bloqueando os grumos, o tamanho médio das perfurações estando vantajosamente compreendida entre 1 a 3 vezes o tamanho dos grumos; - um suporte de grade; e - um eixo de compressão (4) perpendicular a essa grade.

[0031] De preferência, não é necessário que a grade (3) pare a totalidade dos grumos. O passo o mais fino da grade é de 500 pm. Para um passo de grade inferior, o fluxo de líquido será pequeno e a descida do pistão muito lenta. A grade (3) é vantajosamente realizada com uma placa perfurada ou com uma grade metálica tecida ou com um material poroso (calcinado metálico, cerâmica) ou uma membrana polímero (hidrófilo ou hidrófobo).

[0032] O suporte de grade tem por função transmitir os esforços mecânicos entre a grade e o eixo de compressão perpendicular a essa grade, manter a grade horizontal, assegurar a estanqueidade nas ou entre as paredes e o pistão, e deixar passar o líquido.

[0033] De acordo com esse primeiro modo de realização, o pistão (2) é regularmente descido e subido no sentido da seta indicado na figura 1. Após a descida do pistão, a fase líquida se encontra acima do pistão, a fase sólida comprimida embaixo.

[0034] A solução aquosa de sólidos lignocelulósicos pode vantajosamente ser agitada: a agitação pode ser utilizada de duas maneiras diferentes: seja o pistão (2) de compressão pode comportar um agitador (não representado na figura 1), cujo eixo de acionamento é interno e coaxial ao eixo de compressão desse pistão (2), ou o pistão de com- pressão é um pistão de compressão rotativo (5) equipado com protu-berâncias (6) formando ressalto sobre uma parte pelo menos da altura da solução aquosa de sólidos lignocelulósicos.

[0035] A fase líquida é naturalmente pelo menos parcialmente homogeneizada, quando da etapa a) de compressão devido à sua passagem através dos grumos de sólidos lignocelulósicos e através da grade (3).

[0036] Vantajosamente, a etapa b) de extração da fase líquida é realizada por uma retirada da fase líquida no exterior do reator (1), depois reinjeção por meio de uma bomba e de um injetor. A vazão de retirada e de injeção é ajustada, de maneira que o volume do reator seja bombeado pelo menos 3 vezes, e, de preferência, 10 vezes antes da retirada do pistão.

[0037] De maneira a melhorar a homogeneidade da fase líquida, o eixo de compressão (4) desse pistão de compressão rotativo pode vantajosamente ser equipado com pás acima da grade.

[0038] Com efeito, o efeito de bombeamento é máximo no começo, quando da primeira hora. Em seguida, com o avanço da reação, o teor em sólido diminui muito e o efeito de bombeamento é menos interessante. Pode, portanto, ser vantajoso levantar totalmente o pistão e operar, de maneira habitual, a saber, utilizando-se unicamente um agitador clássico.

[0039] No caso em que o processo, de acordo com a invenção, é aplicado no reator com pistão descrito acima, a duração entre os bom-beamentos está vantajosamente compreendida, para a primeira hora entre 1 e 10 minutos e, de preferência, entre 2 e 7 minutos, e, em seguida, entre 5 e 120 minutos, e, de preferência, entre 10 e 60 minutos.

[0040] De acordo com um segundo modo de realização ilustrado na figura 3, a etapa a) de compressão é aplicada em um reator (1), compreendendo um parafuso (7) em fundo de cuba, na qual essa eta- pa a) de compressão ocorre.

[0041] Nesse caso, a coleta separada da fase líquida (conduto 8) e da fase sólida comprimida (conduto 9) é vantajosamente realizada no final da etapa a) de compressão.

[0042] Com efeito, a fase sólida comprimida é também vantajosamente extraída, de preferência em contínuo, quando da etapa b) de extração e reinjetada na cabeça desse reator pelo conduto (9).

[0043] De acordo um primeiro modo de realização preferido desse segundo modo de realização, representado na figura 4a, essa fase sólida comprimida é vantajosamente reinjetada e dispersada na cabeça do reator, de preferência por meio de um cone de dispersão (10) estático ou rotativo, de semi-ângulo com vértice compreendido entre 30 e 60° e de diâmetro compreendido entre 1/3 e 1/4 do d iâmetro do reator ou de maneira preferida, por meio de um prato de dispersão rotativo (11), de diâmetro compreendido entre 1/3 e 1/4 do diâmetro do reator, esse prato sendo acionado pelo eixo de acionamento do agitador, representado na figura 4b.

[0044] De acordo com um outro modo de realização preferido desse segundo modo de realização representado na figura 4c, essa fase sólida comprimida é vantajosamente reinjetada e dispersada na cabeça do reator por meio de um misturador secundário (12) dedicado à colocação em contato íntimo da fase sólida com a fase líquida.

[0045] A fase líquida coletada é vantajosamente injetada de maneira dispersada, de modo a aspergir uniformemente a superfície superior da fase sólida. A dispersão é vantajosamente realizada por uma rede de bocais de alimentação que gera gotas uniformemente repartidas.

[0046] No caso em que o processo, de acordo com a invenção, é aplicado no reator com o parafuso descrito acima, a taxa de renovação pelo parafuso está, durante as duas primeiras horas, compreendida entre um volume de reator a cada minuto e um volume de reator a cada 30 minutos e, de preferência, compreendido entre um volume de reator a cada 5 minutos e um volume de reator a cada 20 minutos e, em seguida, compreendido entre um volume de reator a cada 20 minutos e um volume de reator a cada 60 minutos, e, de preferência, compreendido um volume de reator a cada 30 minutos e um volume de reator a cada 60 minutos.

[0047] Independentemente do modo de realização da etapa de compressão, e de acordo com a invenção, a fase líquida é homogeneizada por tratamentos térmicos e/ou químicos, antes de ser misturada de novo à fase sólida.

[0048] Os tratamentos térmicos e/ou químicos vantajosamente realizados sobre a fase líquida extraída são os seguintes: - uma regulagem de temperatura por meios conhecidos do técnico; - uma regulagem do pH, por meios conhecidos do técnico; - um acréscimo de reagente, tal como, por exemplos antibióticos.

[0049] Um outro objetivo da invenção é a aplicação desse processo para a reação de hidrólise enzimático.

[0050] Nesse caso, a reação de hidrólise enzimática descrita acima ocorre no reator com pistão ou com parafuso descrito acima.

[0051] Vantajosamente, uma reação de fermentação alcoólica ocorre também nesse reator com pistão ou com parafuso simultaneamente à reação de hidrólise enzimática.

[0052] A biomassa lignocelulósica pode vantajosamente sofrer uma etapa de pré-tratamento tal como, por exemplo, operações químicas, térmicas e mecânicas destinadas a favorecer os rendimentos da reação de hidrólise enzimática. Esses pré-tratamentos necessitam da manipulação de pastas mais ou menos secas, segundo os casos. Es- ses pré-tratamentos podem ser, por exemplo, os cozimentos em fase ácida ou básica, as operações de compressão - expansão (explosão ao vapor, processo AFEX),... Geralmente, os produtos oriundos das etapas de pré-tratamentos são sólidos de tipo grãos ou grumos, ou pastas de elevado teor em água. A invenção abre assim potencialidades sobre tratamentos intermediários com produção ou fabricação de pasta de elevado teor em matéria seca.

[0053] Vantajosamente, os tratamentos térmicos e/ou químicos realizados sobre a fase líquida extraída ao final da reação de hidrólise enzimática são as seguintes: - a fase líquida pode vantajosamente passar em um processo de conversão da celobiose em glicose, de maneira a realizar uma hidrólise enzimática adicional no exterior do reator; - a fase líquida pode vantajosamente após mudança das condições operacionais, segundo técnicas conhecidas do técnico passar em um processo separado de fermentação, o efluente oriundo da fermentação sendo em seguida reinjetado na cabeça do reator após reajustes das condições operacionais (pH, temperaturas ...) às condições operacionais da hidrólise enzimáticas, segundo técnicas conhecidas do técnico.

EXEMPLOS

Exemplo 1: hidrólise enzimática [0054] A reação de hidrólise enzimática é utilizada no reator com parafuso de extração em fundo de cuba, segundo o processo, de acordo com a invenção, a solução de sólidos lignocelulósico sendo constituída de uma solução de pasta de papel, contendo 15% de matéria insolúvel, o acréscimo da matéria-prima é gradativo.

[0055] As condições operacionais no reator com parafuso são as seguintes: - temperatura do reator 55*0 - ρΗ = 4,8 [0056] Taxa de renovação pelo parafuso é de: - durante as duas primeiras: 1 volume de reator em 20 minutos; e - em seguida: 1 volume de reator em 50 minutos.

[0057] A fase líquida extraída sofre um tratamento de ajuste do pH, segundo uma técnica conhecida do técnico.

Exemplo 2: hidrólise enzimática [0058] A reação de hidrólise enzimática é realizada no reator com pistão, segundo o processo, de acordo com a invenção, a solução de sólidos lignocelulósicos sendo constituída de uma solução de cavacos de madeira, contendo 13% de matéria insolúvel, o acréscimo da matéria-prima é gradual.

[0059] As condições operacionais no reator com parafuso são as seguintes: Temperatura do reator: 55Ό - pH = 4,8 [0060] A duração entre os bombeamentos sendo a seguinte: - na primeira hora: 1 bombeamento a cada 5 minutos - em seguida: 1 bombeamento a cada 30 minutos.

Exemplo 3: modelo com limitação difusional em reagente [0061] Essa simulação coloca em evidência a eficácia do processo, de acordo com a invenção, que permite uniformizar a concentração em reagente A, quando o processo de conversão é aplicado em um reator de pistão em relação a um processo que não comporta a etapa b) de extração da fase líquida nem homogeneizada por tratamentos térmicos e/ou químicos e sua reinjeção sobre a fase sólida.

[0062] A reação química realizada no reator com pistão descrito acima é uma reação química, cuja cinética é de ordem 1. Mede-se a concentração de um reagente A em solução na fase líquida. A difusão do reagente A no grumo é lenta e limita a taxa de desaparecimento do reagente A: o núcleo dos grumos não trabalha de maneira ótima.

[0063] A modelização mostra que um bombeamento regular permite melhorar os rendimentos (isto e, maior quantidade de A é consumida no mesmo tempo ou tanta de A é consumida em menos tempo), e isto tanto mais quanto mais elevada for a frequência.

[0064] A prensagem dos grumos, segundo o processo, de acordo com a invenção permite, portanto, uniformizar a concentração em A no grumo e no exterior do grumo, de modo que as limitações difusionais que limitam a reação são minimizadas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (16)

1. Processo de conversão de soluções aquosas de sólidos lignocelulósicos compreendendo um teor em sólidos compreendido entre 1 e 20% de matéria seca, esse processo sendo caracterizado pelo fato de compreender uma etapa a) de compressão dessa solução de maneira a separar a fase líquida presente nos e entre os sólidos da fase sólida comprimida e uma etapa b) de extração de pelo menos a fase líquida, essa fase líquida sendo, em seguida, homogeneizada por tratamentos térmicos e/ou químicos e misturada de novo à fase sólida, em que o dito processo aplica a reação de hidrólise enzimática.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa a) de compressão é realizada segundo um eixo de compressão vertical.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a etapa a) de compressão é realizada em um reator que comporta um pistão de compressão perfurado (2), esse pistão de compressão (2), comportando 3 elementos distintos: - uma grade perfurada (3), - um suporte de grade, e - um eixo de compressão (A) perpendicular a essa grade (3).

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a etapa a) de compressão é realizada sob agitação.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a agitação é realizada por meio de um agitador, cujo eixo de acionamento é interno e coaxial ao eixo de compressão desse pistão.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que esse pistão de compressão é um pistão de compressão rotativo (5) equipado de protuberâncias (6) fazendo ressalto sobre uma parte pelo menos da altura da solução aquosa de sólidos lignocelulósicos.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o eixo desse pistão de compressão rotativo é equipado com pás acima da grade perfurada, na fase líquida.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa a) de compressão é realizada em um parafuso (7).

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa a) de compressão é realizada em um reator compreendendo um parafuso (7).

10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a fase de compressão sólida é também extraída, quando da etapa b) de extração e reinjetada na cabeça desse reator.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a fase sólida comprimida é reinjetada e dispersada na cabeça do reator.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a fase sólida comprimida é reinjetada por meio de um cone de dispersão estática ou rotativo (10), de semiângulo com vértice compreendido entre 30 e 60°, e de diâmetro com preendido entre 1/3 e 1/4 do diâmetro do reator.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a fase sólida comprimida é reinjetada por meio de um prato de dispersão rotativo, de diâmetro compreendido entre 1/3 e 1/4 do diâmetro do reator, esse prato sendo acionado pelo eixo de acionamento do agitador.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 13, caracterizado pelo fato de que uma reação de fermentação alcoólica ocorre também simultaneamente à reação de hidrólise enzimática.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a fase líquida passa em um processo de conversão da celobiose em glicose, de maneira a realizar uma hidrólise enzimática adicional ao exterior desse reator.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a fase líquida passa em um processo separado de fermentação, o efluente oriundo da fermentação sendo, em seguida, reinjetado na cabeça do reator.