BRPI0917184B1 - métodos para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica - Google Patents

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Abstract

métodos para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica, métodos para produzir matéria-prima lignocelulósica pré-tratada, e sistema para o pré-tratamento ou hidrólise de matériaprima lignocelulósica a presente invenção refere-se a um método que é provido para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica para produzir monossacarídeos ou para pré-tratar matéria-prima lignocelulósica, no qual uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica é alimentada para uma zona pressurizada para drenagem de água onde a matéria-prima é parcialmente desidratada e, em seguida, comprimida em forma de plug (tampão). o plug é introduzido em uma zona de reação que opera em pressão (pr) igual ou maior do que aproximadamente 0,62 mpa (90 psia) e sob condições adequadas de temperatura e ph para hidrolisar os polissacarídeos ou pré-tratar a matéria-prima. o plug cria um selo de pressão entre a saída da zona de drenagem de água e a zona de reação. a pressão (pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada do dispositivo de drenagem de água está relacionada com a pr como segue: o~ .llp <o menor de [(pr-o, 14 mpa (20 psia) e 1 ,52 mpa (220 psia), e onde .llp é a diferença absoluta em pressão entre pr e pdwi mpa.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODOS PARA HIDROLISAR POLISSACARÍDEOS EM MATÉRIA-PRIMA LIGNOCELULÓSICA.
Campo da invenção
A presente invenção refere-se a um método aperfeiçoado para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica para produzir monossacarídeos e/ou tornar os polissacarídeos mais acessíveis ou suscetíveis à conversão enzimática subsequente para monossacarídeos. O método inclui o pré-tratamento de matérias-primas lignocelulósicas para torná-las mais receptivas à hidrólise enzimática.
Antecedentes da invenção
Há interesse crescente em produzir etanol como combustível a partir de matérias-primas lignocelulósicas tais como, por exemplo, palha de trigo, palha de milho e capim de crescimento rápido (switchgrass).
Um dos processos primários para produzir etanol a partir de matérias-primas lignocelulósicas é submetê-las a um pré-tratamento, seguido por hidrólise enzimática da celulose para glicose. O pré-tratamento é frequentemente conduzido expondo a matéria-prima a ácido sulfúrico diluído e vapor de alta pressão por um período curto de tempo. Um processo para este pré-tratamento é explosão de vapor (descrito em geral nos Pedidos de Patente Ν'*5 4.461.648 e 5.916.780). O pré-tratamento com explosão de vapor melhora bastante a hidrólise enzimática subsequente da celulose.
O pré-tratamento por explosão de vapor pode ser conduzido em batelada ou em maneira contínua. A operação contínua é preferida pela produtividade do reator de pré-tratamento ser maior do que a de um reator de batelada, em decorrência do tempo necessário para encher e esvaziar reatores de batelada. Adicionalmente, há um limite para o tamanho no qual um reator de explosão de vapor de batelada é capaz de pré-tratar uniformemente o material. Essa limitação em tamanho requer em resultado um número maior de reatores de explosão de vapor de batelada em usina de etanol de escala comercial.
Petição 870170055951, de 04/08/2017, pág. 7/15
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Por outro lado, um pré-tratamento por explosão de vapor em operação contínua alcança alta produtividade com boa hidrólise enzimática da celulose. No entanto, a matéria-prima lignocelulósica precisa ser transferida continuamente para e através do reator de pré-tratamento. Essa transferência contínua pode ser conseguida preparando uma pasta consistindo em matéria-prima lignocelulósica finamente retalhada em água. A adição de água facilita o transporte e o manuseio mecânico da matéria-prima lignocelulósica em operações unitárias anteriores e dentro do reator de prétratamento. Tipicamente, a massa de água presente é geralmente pelo menos 5 a 25 vezes a massa de sólidos presentes da matéria-prima para que a pasta tenha fluxo uniforme.
Em um método convencional do estado da técnica anterior, a pasta de matéria-prima lignocelulósica é pressurizada acima da pressão existente no reator de pré-tratamento, por meio de uma série de bombas especialmente construídas, e esta pasta de matéria-prima lignocelulósica é aquecida até a temperatura de reação antes que introduzida no reator de pré-tratamento. Este aquecimento é conseguido pela injeção de vapor em alta pressão e temperatura elevada. A quantidade de vapor e de ácido necessária para este aquecimento é função direta da massa total da pasta, incluindo a água adicionada para o transporte da pasta. Dessa forma, a presença de uma grande quantidade de água requer uma grande quantidade de vapor para o aquecimento, bem como uma grande quantidade de ácido. No reator de pré-tratamento, a pasta é mantida em temperatura elevada por um período predeterminado de tempo. Depois que a reação de pré-tratamento é concluída, a pasta de matéria-prima lignocelulósica pré-tratada é resfriada por sua descarga através de uma série de tanques de flash , onde uma quantidade significativa do vapor original adicionado pode ser potencialmente recuperada em forma de vapor de flash em pressão substancialmente mais baixa e ser reutilizado para preaquecer a pasta de matéria-prima lignocelulósica que entra. O vapor que não pôde ser recuperado permanece em forma de condensado na pasta e representa fonte de diluição adicional da pasta.
3/47
Durante o processamento posterior da matéria-prima lignocelulósica que se segue ao pré-tratamento, substancialmente toda a água adicionada é removida a custo significativo por, primariamente, processos de evaporação ou de destilação. Portanto, a adição de água para o transporte 5 de matéria-prima contribui para grande uso de vapor, grande quantidade de ácido utilizado, bem como grandes sistemas de evaporação ou destilação que acrescentam custos significativos de capital e operacionais ao processo de produção de etanol.
A Patente U.S. N° 4.842.877 descreve um processo no qual um 10 substrato de biomassa é primeiramente pré-hidrolisado com meio de reação contendo álcali forte e, em seguida, é ainda tratado com um agente quelante para remover íons de metal, evitando com isso a formação de precipitados indesejados sobre o equipamento do processo. A biomassa produzida da etapa de quelação é subsequentemente alimentada para um reator de extru15 são sob pressão, no qual hidróxido de hidrogênio é adicionado, juntamente com oxigênio. O oxigênio tem como função ativar o peróxido de hidrogênio enquanto o efeito de fricção e pressão na extrusora acelera a reação da biomassa com o peróxido de hidrogênio. A extrusora é de preferência uma máquina de cozimento por extrusão contínua TX-138, X-172, X-185 ou X20 200 da Wenger.
A Patente U.S. N° 4.427. 453 descreve um equipamento na forma de alimentador em caracol que consiste em uma caixa cônica resistente à pressão com abertura radial para carregamento na extremidade de seu maior diâmetro e bainha de saída axial em forma de cilindro em sua extremi25 dade menor. O material é injetado na abertura para carregamento e é movido por um caracol cônico rotativo sob forte compressão e, portanto, alta pressão, até a extremidade menor onde é forçado através da bainha de saída em forma de plug (tampão) comprimido. A caixa cônica é equipada com perfurações de modo a permitir a saída do líquido extraído do material du30 rante a compressão.
A Patente U.S. N° 6.251.643 descreve uma prensa de rosca com compartimentos para conduzir estágios de compressão e tratamento de sus
4/47 pensões aquosas de material. Os compartimentos estão dispostos na linha do eixo, alinhados com pelo menos uma haste comum integrada com roscas para transportar o material. Durante a operação da prensa de rosca, um plug de material compactado é formado na extremidade de saída de cada rosca. Este plug veda e separa um compartimento do compartimento seguinte.
A Patente U.S. N° 7.347.140 descreve uma prensa de rosca para separação de líquido de misturas de sólido/líquido, a prensa de rosca com caixa contendo perfurações para retirada de líquidos. A caixa inclui uma haste de rosca com espaço circular através do qual o líquido é comprimido. Um dispositivo de contrapressão cria um apoio para a mistura sólida/líquida de modo a aumentar a pressão no espaço circular e ser extraído mais líquido da mistura sólida/líquida.
O documento WO 96/25553 descreve um sistema para drenagem de água de material lignocelulósico operando em pressão atmosférica para comprimir o material lignocelulósico em um encarte, o qual está na forma de plug compacto, cuja finalidade é separar o meio atmosférico da prensa do meio de alta pressão em hidrolisadora.
Um relatório final intitulado Second Stage Countercurrent Reactor, preparado pelo National Renewable Energy Laboratory, Golden Colorado, datado de 19 de outubro de 2000 e publicado pelo Harris Group, descreve um reator horizontal em primeiro estágio, operando a 150 psig (1,03 MPa) e 185°C, e um reator vertical em segundo estágio (também denominados digestores) operando a 370 psig (255 MPa) e 225°C. Um alimentador de plug (tampão)-rosca atmosférico comprime lascas pré-cozidas em vapor para formar um plug firme antes que a sua entrada no primeiro estágio, e uma Montagem de Tubos em T (Tee-Pipe) pressurizada que veda por pressão o digestor horizontal do primeiro estágio. Na hidrólise em dois estágios, um alimentador de p/ug-rosca pressurizado comprime as lascas pressurizadas parcialmente cozidas, provenientes do reator do primeiro estágio, para formar um plug firme contra a pressão do reator. Uma Montagem de Tubos em T pressurizada veda por pressão o reator contracorrente do segundo estágio. Uma desfibradora rolante pressurizada quebra o plug e alimenta conti
5/47 nuamente o digestor vertical do segundo estágio onde as lascas parcialmente cozidas provenientes da desfibradora são hidrolisadas com ácido.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção provê um processo econômico contínuo de hidrólise ou pré-tratamento, o qual opera com baixos níveis de água. A operação nessa maneira da invenção oferece vantagens significativas, em termos de capital e operacional para produzir produtos de fermentação, tais como etanol, a partir de matérias-primas lignocelulósicas, sobre os processos atuais que fazem uso de grande quantidade de água.
Vantajosamente, a remoção de quantidade significativa de água de uma matéria-prima lignocelulósica antes que esta seja aquecida por vapor em um reator de hidrólise reduz o uso do vapor, além de a quantidade de água que necessita ser removida por evaporação ou destilação em processamento posterior, reduzindo com isso custos de capital e operacional.
Outra característica vantajosa da invenção é de que esta pode ter como resultado redução na quantidade de ácido ou álcali, necessária durante a hidrólise ou pré-tratamento da matéria-prima.
Dessa forma, uma modalidade ampla da presente invenção provê um método para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignoceluló20 sica para produzir monossacarídeos, compreendendo:
a) prover zonas interconectadas de drenagem de água, formação de plug e de reação, cada uma destas zonas dotadas de zona de entrada e zona de saída, a zona de saída da zona de drenagem de água estando operacionalmente associada com a zona de entrada da zona de formação de plug e a zona de saída da zona de formação de plug estando operacionalmente associada com a zona de entrada para a zona de reação, em que a pressão (Pr) na zona de reação é de aproximadamente 0,62 MPa (90 psia) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia);
b) alimentar uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica 30 para a zona de drenagem de água para produzir matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada e um líquido aquoso, em que a pressão (Pdwí) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da
6/47 zona de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e Pdwi em em MPa
c) retirar, da zona de drenagem de água, uma parte do líquido aquoso para gerar um líquido aquoso retirado, o líquido aquoso retirado estando substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica sólida, e a uma pressão mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matériaprima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água;
d) movimentar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada vinda da zona de saída da zona de drenagem de água para a zona de entrada da zona de formação de plug;
e) formar um plug de matéria-prima lignocelulósica dentro da zona de formação de plug para criar um selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água e a zona de entrada da zona de reação;
f) alimentar o plug de matéria-prima lignocelulósica proveniente da zona de saída da zona de formação de plug para a zona de entrada da zona de reação, em que a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é substancialmente igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação;
g) manter condições adequadas de temperatura e pH na zona de reação para hidrolisar polissacarídeos na matéria-prima lignocelulósica para produzir os monossacarídeos; e
h) recuperar os monossacarídeos produzidos na etapa g).
Outra modalidade ampla da presente invenção provê um método para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica para produzir monossacarídeos, compreendendo:
a) prover zonas interconectadas de drenagem de água, formação de plug e de reação, cada uma destas zonas dotadas de zona de entrada e zona de saída, a zona de saída da zona de drenagem de água estando operacionalmente associada com a zona de entrada da zona de formação de plug e a zona de saída da zona de formação de plug estando operacio7/47 nalmente associada com a zona de entrada para a zona de reação, em que a pressão (Pr) na zona de reação é de aproximadamente 2,07 MPa (300 psi-
a) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia);
b) alimentar uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para a zona de drenagem de água para produzir matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada e um líquido aquoso, em que a pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
< ΔΡ < 1,52 MPa (220 psia), e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e PdWi em em MPa;
c) retirar, da zona de drenagem de água, uma parte do líquido aquoso para gerar um líquido aquoso retirado, o líquido aquoso retirado estando substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica sólida, e a uma pressão mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matériaprima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água;
d) movimentar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada vinda da zona de saída da zona de drenagem de água para a zona de entrada da zona de formação de plug',
e) formar um plug de matéria-prima lignocelulósica dentro da zona de formação de plug para criar um selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água e a zona de entrada da zona de reação;
f) alimentar o plug de matéria-prima lignocelulósica proveniente da zona de saída da zona de formação de plug para a zona de entrada da zona de reação, em que a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é substancialmente igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação;
g) manter condições adequadas de temperatura e pH na zona de reação para hidrolisar polissacarídeos na matéria-prima lignocelulósica para produzir os monossacarídeos; e
h) recuperar os monossacarídeos produzidos na etapa g).
De acordo ainda com outra modalidade ampla da invenção, é
8/47 provido um método para produzir uma matéria-prima lignocelulósica prétratada, compreendendo:
a) prover zonas interconectadas de drenagem de água, formação de plug e de reação, cada uma destas zonas dotadas de zona de entrada e zona de saída, a zona de saída da zona de drenagem de água estando operacionalmente associada com a zona de entrada da zona de formação de plug e a zona de saída da zona de formação de plug estando operacionalmente associada com a zona de entrada para a zona de reação, em que a pressão (Pr) na zona de reação é de aproximadamente 90 (0,63) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia);
b) alimentar uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para a zona de drenagem de água para produzir matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada e um líquido aquoso, em que a pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e PdWi em em MPa
c) retirar, da zona de drenagem de água, uma parte do líquido aquoso para gerar um líquido aquoso retirado, o líquido aquoso retirado estando substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica sólida, e a uma pressão mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matériaprima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água;
d) movimentar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada vinda da zona de saída da zona de drenagem de água para a zona de entrada da zona de formação de plug;
e) formar um plug de matéria-prima lignocelulósica dentro da zona de formação de plug para criar um selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água e a zona de entrada da zona de reação;
f) alimentar o plug de matéria-prima lignocelulósica proveniente da zona de saída da zona de formação de plug para a zona de entrada da zona de reação, em que a pressão na zona de saída da zona de formação
9/47 de plug é substancialmente igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação;
g) pré-tratar a matéria-prima lignocelulósica na zona de reação para produzir a matéria-prima pré-tratada.
De acordo com uma concretização da invenção, a pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica exibe razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 33:1, antes de entrar na zona de drenagem de água, de preferência, de aproximadamente 7:1 a aproximadamente 24:1. A razão do peso de água para sólidos de matéria-prima lignocelulósica pode ser determinada na zona de entrada da zona de drenagem de água.
De acordo com outra concretização da invenção, a matériaprima lignocelulósica parcialmente desidratada exibe razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1, de preferência, de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 4:1.
De acordo ainda com uma concretização da invenção, a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada da zona de drenagem de água é de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 6,21 MPa (900 psia), de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia) ou de aproximadamente 0,97 MPa (140 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia) ou de aproximadamente 2,07 MPa (300 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia)
Em uma concretização adicional da invenção, a pressão do líquido aquoso retirado da zona de drenagem de água é de aproximadamente 2,07 x 10‘3 MPa (0,3 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia), ou de aproximadamente 6,89 x 10'3 MPa (1 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia), inferior à pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água.
De acordo com outra concretização da invenção, a matériaprima lignocelulósica parcialmente desidratada é aquecida antes de sua entrada na zona de reação, na zona de reação ou uma combinação dos mes10/47 mos.
De acordo ainda com outra concretização da invenção, a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser pelo menos parcialmente aquecida por injeção direta de vapor antes de sua entrada na zona de reação, na zona de reação ou uma combinação dos mesmos.
De acordo ainda com outra concretização da invenção, a matéria-prima lignocelulósica é reagida na zona de reação sob condições ácidas. O pH na zona de reação onde a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições ácidas pode ser entre 0 e aproximadamente 3, ou entre aproximadamente 0,2 e aproximadamente 3, ou entre aproximadamente 0,5 e aproximadamente 3. O ácido pode ser adicionado à matéria-prima lignocelulósica antes que a entrada do plug da matéria-prima lignocelulósica para dentro da zona de reação, na zona de reação ou uma combinação dos mesmos.
Em ainda outra concretização da invenção, quando a matériaprima lignocelulósica é reagida na zona de reação sob condições ácidas, a matéria-prima lignocelulósica é mantida na zona de reação por tempo adequado de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, ou de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos, ou de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos, e em temperatura adequada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C para hidrolisar a matéria-prima lignocelulósica.
Quando a matéria-prima lignocelulósica é reagida na zona de reação sob condições ácidas, o ácido adicionado à matéria-prima lignocelulósica pode ser selecionado a partir do grupo consistindo em ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico ou qualquer combinação dos mesmos. De preferência, o ácido é ácido sulfúrico.
De acordo com outra concretização da invenção, a matériaprima lignocelulósica é reagida na zona de reação sob condições alcalinas.
De acordo com esta concretização, o álcali pode ser selecionado a partir do grupo consistindo em amônia, hidróxido de amônio, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou qualquer combinação dos mesmos. O álcali pode ser
11/47 adicionado à matéria-prima lignocelulósica antes que a entrada do plug da matéria-prima lignocelulósica para a zona de reação, na zona de reação ou uma combinação dos mesmos. O pH na zona de reação pode estar entre aproximadamente 9,5 e aproximadamente 14.
De acordo com uma concretização da invenção, a temperatura na zona de reação durante a reação sob condições alcalinas pode estar entre aproximadamente 135°C e aproximadamente 260°C. De acordo com ainda outra concretização da invenção, a temperatura na zona de reação durante a reação sob condições alcalinas pode estar entre aproximadamente 120°C e aproximadamente 220°C, podendo a matéria-prima lignocelulósica reagir por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos ou por aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos para prétratar a matéria-prima lignocelulósica.
De acordo com uma concretização adicional da invenção, quando a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições alcalinas, o álcali é amônia, hidróxido de amônio ou uma combinação dos mesmos, a temperatura na zona de reação está entre aproximadamente 20°C e aproximadamente 150°C, ou entre aproximadamente 20°C e aproximadamente 100°C, sendo a matéria-prima lignocelulósica reagida por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pré-tratar a matéria-prima lignocelulósica.
De acordo com uma concretização adicional da invenção, quando a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições alcalinas, o álcali é amônia, hidróxido de amônio ou uma combinação dos mesmos, a temperatura na zona de reação está entre aproximadamente 100°C e aproximadamente 150°C, sendo a matéria-prima lignocelulósica reagida por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pré-tratar a matéria-prima lignocelulósica.
De acordo ainda com outra concretização adicional da invenção, quando a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições alcalinas, o álcali é hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou uma combinação dos mesmos, a temperatura na zona de reação está entre aproximadamente
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100°C e aproximadamente 140°C, sendo a matéria-prima lignocelulósica reagida por aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos para pré-tratar a matéria-prima lignocelulósica
De acordo com uma concretização adicional da invenção, a matéria-prima lignocelulósica reagida é resfriada para temperatura igual ou inferior a 100°C após ter sido descarregada da zona de reação. Ainda pode estar envolvida uma etapa de redução da pressão da matéria-prima lignocelulósica reagida para pressão atmosférica.
Ainda outra modalidade ampla da presente invenção provê um sistema para pré-tratamento ou hidrólise de matéria-prima lignocelulósica, incluindo dispositivos interconectados para drenagem de água, formação de plug e reação, em que a pressão (Pr), no dispositivo de reação, é de aproximadamente 0,62 MPa (90 psia) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia), compreendendo:
- Uma bomba ou bombas para bombear uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para o dispositivo de drenagem de água a uma pressão entre aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) e aproximadamente 5,52 MPa (800 psia) e em que a pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matériaprima lignocelulósica na entrada do dispositivo de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e Pdwi em MPa;
- Meios no interior do dispositivo de drenagem de água para remover líquido aquoso da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para formar uma matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada;
- Meios para retirar líquido aquoso do interior do dispositivo de drenagem de água;
- Meios para impulsionar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada do dispositivo de drenagem de água para o dispositivo de formação de plug para formar um plug da matéria-prima lignocelulósica; e
- Meios para descarregar o plug de matéria-prima lignocelulósica do dispositivo de formação de plug e para alimentar a matéria-prima lignoce13/47 lulósica para o dispositivo de reação, o qual está em uma pressão substancialmente igual à pressão do plug de matéria-prima lignocelulósica que é descarregado do dispositivo de formação de plug.
De acordo com uma concretização da invenção, quando o sistema está em operação, a pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica é bombeada para o dispositivo de drenagem de água a uma pressão entre aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) e aproximadamente 5,52 MPa (800 psia).
De acordo com uma concretização da invenção, o sistema inclui meios para quebrar o plug de material lignocelulósico antes de alimentar a matéria-prima lignocelulósica para dentro do dispositivo de reação.
Em uma concretização adicional, o dispositivo de drenagem de água e o dispositivo de formação de plug estão integrados em um dispositivo combinado de drenagem de água e de formação de plug.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Nos desenhos anexos,
A figura 1 é um fluxograma de um método de acordo com uma concretização da presente invenção;
A figura 2 é um desenho esquemático de um equipamento estilizado de acordo com uma concretização da presente invenção para por em prática o método da presente invenção; e
A figura 3 é um desenho esquemático de um equipamento estilizado de acordo com uma concretização da presente invenção para por em prática o método da presente invenção.
As descrições a seguir representam concretizações preferidas a título somente de exemplo e sem limitar à combinação de características necessárias para executar a invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A matéria-prima cuja água é drenada é um material lignocelulósico. O termo matéria-prima lignocelulósica, nesta descrição, significa qualquer tipo de biomassa vegetal tal como, entre outras, biomassa vegetal não lenhosa, espécies cultivadas tais como, entre outras, gramas, por e14/47 xemplo, entre outras, gramas C4, como, entre outras, capim de crescimento rápido (switchgrass), capim de pradaria (Spartina pectinata), azevém perene (Lolium multiflorum), miscanto, Reed Canary Grass (Phalaris arundinacea), ou uma combinação dos mesmos, resíduos do processamento de açúcar, por exemplo, entre outros, bagaço, polpa de beterraba, ou uma combinação dos mesmos, resíduos agrícolas, por exemplo, entre outros, palha de soja, palha de milho, palha de arroz, cascas de arroz, palha de cevada, sabugos de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de aveia, cascas de aveia, fibra de milho, ou uma combinação dos mesmos, biomassa florestal, por exemplo, entre outras, fibra de polpa de madeira reciclada, serragem, madeira folhosa, por exemplo, álamo (Populus spp.), coníferas, ou uma combinação dos mesmos.
Adicionalmente, a matéria-prima lignocelulósica pode compreender material de resíduos celulósicos ou materiais de resíduo florestal tais como, entre outros, papel-jornal, papelão e os semelhantes.
A matéria-prima lignocelulósica pode compreender uma espécie de fibra ou, alternativamente, pode compreender uma mistura de fibras que se originam de diferentes matérias-primas lignocelulósicas.
As matérias-primas lignocelulósicas compreendem celulose em quantidade superior a aproximadamente 20%, mais preferivelmente superior a aproximadamente 30%, mais preferivelmente superior a aproximadamente 40% (p/p). Por exemplo, o material lignocelulósico pode compreender de aproximadamente 20% a aproximadamente 50% (p/p) de celulose, ou qualquer quantidade intermediária. A matéria-prima lignocelulósica compreende também lignina em quantidade superior a aproximadamente 10%, mais tipicamente em quantidade superior a aproximadamente 15% (p/p). A matériaprima lignocelulósica pode compreender também pequenas quantidades de sacarose, frutose e amido.
Exemplos de matérias-primas lignocelulósicas preferidas são: (1) resíduos agrícolas como palha de milho, palha de trigo, palha de cevada, palha de canola, palha de centeio, palha de arroz e palha de soja; e (2) capins como capim de crescimento rápido, miscanto, capim da pradaria e reed
15/47 cannary grass.
Antes que a drenagem de água, a matéria-prima lignocelulósica é tipicamente submetida à redução de tamanho por métodos incluindo, entre outros, moagem, trituração, agitação, desfibramento, compressão/expansão, ou outros tipos de ação mecânica. A redução de tamanho por ação mecânica pode ser realizada por qualquer tipo de equipamento adaptado para a finalidade, por exemplo, entre outros, dispositivos de redução de tamanho selecionados a partir do grupo consistindo em moinhos de martelo, trituradoras tubulares, prensas de rolo, refinadores e hidrapulpers (espécie de liquidificador gigante). A matéria-prima pode ser reduzida a partículas com comprimento de aproximadamente 1/16 a aproximadamente 5 polegadas, ou qualquer valor intermédio; por exemplo, o comprimento das partículas pode ser de aproximadamente 1/16, aproximadamente 1/8, aproximadamente 3/16, aproximadamente 1/4, aproximadamente 5/16, aproximadamente 3/8, aproximadamente 7/16, aproximadamente 1/2, aproximadamente 9/16, aproximadamente 5/8, aproximadamente 11/16, aproximadamente 3/4, aproximadamente 13/16, aproximadamente 7/8, aproximadamente 1, aproximadamente 2, aproximadamente 3, aproximadamente 4 ou aproximadamente 12,7 cm (5 polegadas), ou qualquer valor intermediário. O comprimento das partículas reduzidas pode também ser tal que pelo menos aproximadamente 90% em peso das partículas exibem comprimento inferior a aproximadamente 12,7 cm (5 polegadas) ou mesmo menor; por exemplo, pelo menos aproximadamente 90% em peso das partículas podem exibir comprimento inferior a aproximadamente 10,16 cm (4 polegadas), aproximadamente 7,62 cm (3 polegadas), aproximadamente 5,08 cm (2 polegadas), aproximadamente 2,54 (1 polegada) ou aproximadamente 1,27 cm (½ polegada). A lavagem pode ser conduzida para remover areia, saibro e outras partículas estranhas, uma vez que estas podem causar dano ao equipamento a jusante.
Antes que entre na zona de drenagem de água, a razão de água para matéria-prima lignocelulósica é ajustada para formar uma pasta. A pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica pode exibir razão do peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica de aproximadamen16/47 te 5:1 a aproximadamente 33:1 ou de aproximadamente 7:1 a aproximadamente 24:1, antes que entre na zona de drenagem de água, além de todas as razões intermediárias. Por exemplo, a razão do peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica pode ser de aproximadamente 5 5:1, aproximadamente 6:1, aproximadamente 7:1, aproximadamente 8:1, aproximadamente 9:1, aproximadamente 10:1, aproximadamente 11:1,aproximadamente 12:1, aproximadamente 13:1, aproximadamente 14:1,aproximadamente 15:1, aproximadamente 16:1, aproximadamente 17:1,aproximadamente 18:1, aproximadamente 19:1, aproximadamente 20:1, ΒΙΟ proximadamente 21:1, aproximadamente 22:1, aproximadamente 23:1,aproximadamente 24:1, aproximadamente 25:1, aproximadamente 26:1,aproximadamente 27:1, aproximadamente 28:1, aproximadamente 29:1,aproximadamente 30:1, aproximadamente 31:1, aproximadamente 32:1ou aproximadamente 33:1. A razão do peso de água para sólidos secos da ma15 téria-prima lignocelulósica pode ser determinada na zona de entrada da zona de drenagem de água. A razão desejada do peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica na pasta é determinada por fatores tais como capacidade de transporte por bombeamento (pumpability), requisitos da tubulação e outras considerações práticas. A razão do peso de água 20 para sólidos secos em uma pasta aquosa, tal como pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica, ou material úmido, tal como matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada ou plug de matéria-prima lignocelulósica, pode ser determinada por métodos conhecidos por aqueles versados no estado da técnica. Um método é secar uma amostra da pasta ou material úmi25 do de peso conhecido a uma temperatura e por um período de tempo que sejam suficientes para remover água da amostra de pasta ou material úmido, porém que não que não resulte em degradação térmica dos sólidos, por exemplo, sólidos da matéria-prima. Após esta remoção de água, ou secagem, os sólidos secos são pesados e o peso de água na amostra de pasta 30 ou material úmido é a diferença entre o peso da amostra de pasta ou sólidos secos e o peso dos sólidos secos. A quantidade de sólidos secos em uma pasta aquosa pode ser referida como a consistência da pasta. Consistência
17/47 pode ser expressa como o peso de sólidos secos em um peso de pasta, por exemplo, gramas por quilograma, ou em percentual com base em peso, por exemplo, % (p/p).
O termo operacionalmente associado, nas reivindicações anexas e no relatório descritivo, significa que uma zona ou equipamento a montante leva para uma respectiva zona ou equipamento a jusante, direta ou indiretamente, através de uma zona ou equipamento intermediário.
A zona de drenagem de água inclui um ou mais dispositivos para remover água sob pressão da pasta aquosa de matéria-prima. Dispositivos de drenagem de água para uso na invenção incluem prensas pressurizadas de rosca, como descritas mais detalhadamente abaixo, e filtros pressurizados. A água expressa a partir da matéria-prima lignocelulósica, pela etapa de drenagem de água, pode ser reutilizada no processo para, por exemplo, transformar em pasta a matéria-prima que entra.
A pasta de matéria-prima pode ser alimentada para o dispositivo pressurizado de drenagem de água por meio de uma ou mais bombas de alta pressão, tais como aquelas disponibilizadas pela Sulzer Corp. ou Andritz AG, ou por qualquer outro dispositivo adequado de alimentação. A bomba ou outro dispositivo de alimentação aumenta a pressão da pasta de matériaprima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água para, por exemplo, de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 6,21 MPa (900 psia), ou de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia), ou mais preferivelmente de aproximadamente 0,97 MPa (140 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia) . Por exemplo, a pressão em MPa da matéria-prima na zona de entrada da zona de drenagem de água pode ser de aproximadamente 0,48 (70), aproximadamente 0,62 (90), aproximadamente 0,76 (110), aproximadamente 0,97 (140), aproximadamente 1,21 (175), aproximadamente 1,52 (220), aproximadamente 2 (290), aproximadamente 2,07 (300), aproximadamente 2,14 (310), aproximadamente 2,76 (400), aproximadamente 3,17 (460), aproximadamente 3,24 (470), aproximadamente 3,31 (480), aproximadamente 3,79 (550), aproximadamente 4,55 (660), aproximadamente 4,69 (680), a
18/47 proximadamente 4,83 (700), aproximadamente 5,17 (750), aproximadamente 5,52 (800), aproximadamente 6,07 (880), aproximadamente 6,14 (890) ou de aproximadamente 6,21 (900). A pressão pode ser medida com sensor de pressão situado em uma porta de entrada de matéria-prima no dispositivo de drenagem de água.
A zona de drenagem de água inclui opcionalmente uma zona pré-drenagem com a finalidade de drenar e extrair água da pasta de matériaprima em pressão atmosférica ou mais alta. Esta pasta de matéria-prima desidratada é enviada então para um ou mais dispositivos para drenar a água da pasta sob pressão.
Água expressa a partir da drenagem pressurizada de água, cujo teor é substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica, é retirada a uma pressão de aproximadamente 2,07 x 10'3 MPa (0,3 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia), ou de aproximadamente 6,89 X 10'3 (1 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia) , inferior à pressão da pasta aquosa na zona de entrada da zona de drenagem pressurizada de água. Por exemplo, a pressão da água retirada da zona de drenagem de água pode ser de aproximadamente 2,07 x 10’3 (0,3), aproximadamente 3,45 x 10'3 (0,5), aproximadamente 5,52 MPa (0,8), aproximadamente 6,89 X 10'3 (1), aproximadamente 0,01 (1,5), aproximadamente 0,014 (2), aproximadamente 0,021 (3) , aproximadamente 0,028 (4), aproximadamente 0,034 (5) , aproximadamente 0,048 (7), aproximadamente 0,069 (10), aproximadamente 0,103 (15), aproximadamente 0,138 (20), aproximadamente 0,172 (25), aproximadamente 0,207 (30), aproximadamente 0,241 (35), aproximadamente 0,276 (40), aproximadamente 0,31 (45) ou aproximadamente 0,34 MPa (50 psia) mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água. A água expressa é retirada diretamente para uma ou mais zonas coletoras de água retirada. A água retirada pode conter outros líquidos que podem estar presentes na pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica alimentada para a zona de drenagem pressurizada de água, ou uma ou mais zonas coletoras podem ser parcialmente preenchidas com água retirada, em cujo caso haverá uma
19/47 superfície de água retirada nesta(s) zona(s) coletora(s). A pressão da água retirada pode ser determinada medindo-se, com sensor de pressão, a pressão na zona coletora de água retirada, ou a zona coletora mais próxima à zona de entrada da zona de drenagem de água, se houver mais de uma zona coletora, em elevação mais baixa do que a de qualquer superfície retirada que possa existir nesta zona coletora, e ajustando essa medição de pressão para levar em conta qualquer diferencial de altura de elevação da água retirada que possa resultar do sensor de pressão estar situado em altura diferente daquela na qual é medida a pressão da pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água. Portanto, se um sensor de pressão estiver situado na zona coletora mais baixo do que o nível superficial, se existente, da água retirada e em elevação igual àquela na qual é medida a pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água, então, não é necessário ajuste da pressão medida da água retirada para levar em conta elevação diferencial dianteira. Se o sensor de pressão estiver situado em elevação na zona coletora mais baixa do que aquela na qual é medida a pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água, a pressão medida é ajustada adicionando a altura de elevação correspondente à altura de água retirada entre a elevação do sensor de pressão e a elevação na qual a pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água é medida. Igualmente, se o sensor de pressão estiver situado em elevação na zona coletora que seja acima daquela na qual é medida a pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água, a pressão medida é ajustada deduzindo a altura de elevação correspondente à altura de água retirada acima da elevação na qual a pasta de matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água é medida e a elevação do sensor de pressão. Cálculos de altura de elevação de fluídos são conhecidos daqueles versados no estado da técnica e levam em conta a densidade do fluído.
O líquido aquoso retirado contém de preferência menos de aproximadamente 15 gramas de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica
20/47 por quilograma de líquido aquoso retirado; ou seja, o líquido aquoso retirado pode conter menos de aproximadamente 15, aproximadamente 10, aproximadamente 8, aproximadamente 6, aproximadamente 4, aproximadamente 3, aproximadamente 2 ou aproximadamente 1 grama de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica por quilograma de líquido aquoso retirado. O teor de sólidos de matéria-prima lignocelulósica, no líquido aquoso retirado, pode ser determinado pelo método para determinar a razão do peso de água para sólidos secos em pasta aquosa que está descrito acima.
A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode exibir razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1 ou de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 4:1, e todas as razões intermediárias, por exemplo, aproximadamente 0,5:1, aproximadamente 1:1, aproximadamente 1,5:1, aproximadamente 2:1, aproximadamente 2,5:1, aproximadamente 3:1, aproximadamente 3,5:1, aproximadamente 4:1, aproximadamente 4,5:1 ou aproximadamente 5:1. A razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser determinada pelo método descrito acima. Altemativamente, esta razão pode ser determinada por cálculos de balanço de massa, os quais são conhecidos daqueles versados no estado da técnica. Estes cálculos levam em conta vários fatores, tais como vazão de massa e consistência ou concentração de materiais alimentados para dentro da zona de drenagem de água, incluindo, entre outros, a vazão de massa e consistência da pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica, e a vazão de massa e consistência ou concentração de materiais retirados da zona de drenagem de água, incluindo, entre outros, a vazão de massa e consistência da área retirada.
A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada da zona de saída da zona de drenagem de água é levada para a zona de entrada de uma zona de formação de plug. Nesta zona, a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada forma um plug (tampão) que funciona como selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água e a zona de entrada da zona de reação.
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A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada alimentada para dentro da zona de formação de plug está em pressão elevada que é semelhante à pressão (Pdwi) da pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica na entrada para a zona de drenagem pressurizada de água. A pressão (Pdwi) da pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica na entrada desta zona de drenagem pressurizada de água está relacionada com a pressão (Pr) em uma zona de reação posterior como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr — 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e Pdwi em psia (em MPa).
Essa diferença de pressão resulta na formação de um plug de matéria-prima lignocelulósica que é capaz de ser facilmente penetrado por vapor. A ΔΡ pode ser qualquer diferença de pressão absoluta de 0 a aproximadamente 1,52 MPa (220 psia) e todas as diferenças de pressão intermediárias, por exemplo, em MPa (psia), 0, aproximadamente 0,14 (20), aproximadamente 0,21 (30), aproximadamente 0,34 (50), aproximadamente 0,52 (75), aproximadamente 0,69 (100), aproximadamente 1,03 (150), aproximadamente 1,24 (180), aproximadamente 1,38 (200), aproximadamente 1,45 (210) ou aproximadamente 1,52 (220).
O plug de matéria-prima lignocelulósica pode exibir razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1, ou de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 4:1, ou de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 4:1, ou de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 3,5:1 e todas as razões intermédias, por exemplo, aproximadamente 0,5:1, aproximadamente 1,5:1, aproximadamente 2:1, aproximadamente 2,5:1, aproximadamente 3:1, aproximadamente 3,5:1, aproximadamente 4:1, aproximadamente 4,5:1 ou aproximadamente 5:1. A razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica no plug de matéria-prima lignocelulósica pode ser determinada pelo método descrito acima. Alternativamente, esta razão pode ser determinada por cálculos de balanço de massa.
O plug de matéria-prima lignocelulósica é descarregado então
22/47 da zona de formação de plug e alimentado para uma zona de reação a jusante. Opcionalmente, um ou mais dispositivos para quebrar ou desfibrar o plug e/ou para aquecer o plug ou o plug quebrado ou desfibrado estão posicionados entre a descarga da zona de formação de plug e a zona de reação. A pressão na zona de saída da zona de formação de plug é substancialmente igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação. Em uma concretização da invenção, a diferença em pressão entre a zona de saída da zona de formação de plug e a zona de entrada para a zona de reação é menos de aproximadamente 25% da pressão na zona de entrada para a zona de reação, e pode ser menos de aproximadamente 25% da pressão na zona de entrada para a zona de reação e pode ser menos de aproximadamente 20%, aproximadamente 15%, aproximadamente 10% ou de aproximadamente 5% da pressão na zona de entrada para a zona de reação. Em outra concretização da invenção, a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação. A pressão na zona de saída da zona de formação de plug pode ser determinada medindo-se, com sensor de pressão, em uma zona para a qual o plug é primeiramente descarregado, em que o volume aberto desta última zona é tal que, em operação, a densidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica ali presentes, expressa em quilogramas de sólidos secos por metro cúbico de volume de zona aberta, é inferior à densidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica na zona de saída da zona de formação de plug, expressa em quilogramas de sólidos secos por metro cúbico de volume de plug. Sem se limitar, a zona supracitada para a qual o plug é descarregado pode estar contida em um tubo, vaso ou câmara de forma cilíndrica, ou parte deste, dotada com uma área da seção transversal, limitada por sua circunferência interna, que é maior do que a área da seção transversal da superfície do plug na zona de saída da zona de formação de plug, esta área da seção transversal da superfície do plug sendo a área definida pela interseção do plug na zona de saída e um plano da seção transversal que é perpendicular à direção de escoamento do plug na zona de saída da zona de formação de plug. Outros exemplos não limitantes de dispositivos ou câmaras que podem
23/47 conter uma zona para a qual o plug é descarregado e que podem ter o volume exigido incluem triturador de plug, desfibrador, transportador, alimentador rotativo ou aquecedor. O plug pode ser descarregado diretamente na zona de entrada da zona de reação.
Conforme discutido abaixo, vários tipos de reatores podem ser utilizados para conter a zona de reação, incluindo dois ou mais reatores, dispostos em série ou paralelo. A pressão na zona de entrada para a zona de reação pode ser medida com sensor de pressão situado em uma porta de entrada de matéria-prima em um reator. Se dois ou mais reatores forem dispostos em série, a zona de entrada para a zona de reação significa a zona de entrada do primeiro reator.
Na zona de reação, de acordo com uma concretização da invenção, pelo menos parte dos polissacarídeos contidos na matéria-prima lignocelulósica é hidrolisada para produzir um ou mais monossacarídeos. De preferência, pelo menos parte do xilano contido na matéria-prima lignocelulósica é hidrolisada para produzir pelo menos xilose em um pré-tratamento.
O termo polissacarídeos é utilizado nesta descrição no sentido convencional e inclui, entre outros, celulose e xilano. O termo monossacarídeos é utilizado nesta descrição no sentido convencional e inclui aqueles Açucares liberados por hidrólise de matéria-prima lignocelulósica, por exemplo, hexose, galactose e frutose, bem como as trioses, gliceraldeído e dihidrodi-hidroxiacetona; as tetroses, eritrose, treose e eritrulose; as pentoses, arabinose, lixose, ribose, desoxirribose, xilose, ribulose e xilulose; e as hexoses, alose, altrose, galactose, glicose, gulose, manose, talose, frutose, psicose e tagatose.
Se utilizado nesta descrição, o termo oligossacarídeo é utilizado no sentido convencional como polímero de sacarídeo contendo de três a dez componentes de açúcar, incluindo fruto-oligossacarídeos, galactooligossacarídeos e mano-oligossacarídeos, bem como rafinose, melibiose e maltotriose.
A pressão na zona de reação é entre aproximadamente 0,62
MPa (90 psia) e aproximadamente 4,69 MPa (680 psia) e todas as pressões
24/47 intermediárias; por exemplo, a pressão, em MPa (psia) , pode ser aproximadamente 0,62 (90), aproximadamente 0,69 (100), aproximadamente 0,83 (120), aproximadamente 1,03 (150), aproximadamente 1,38 (200), aproximadamente 1,65 (240) , aproximadamente 1,72 (250), aproximadamente 1,86 (270) , aproximadamente 1,93 (280), aproximadamente 2 (290), aproximadamente 2,07 (300), aproximadamente 2,41 (350), aproximadamente 2,75 (400), aproximadamente 3,1 (450), aproximadamente 3,45 (500), aproximadamente 3,78 (550), aproximadamente 4 (580), aproximadamente 4,07 (590), aproximadamente 4,14 (600), aproximadamente 4,48 (650), ou aproximadamente 4,69 (680). A pressão na zona de reação pode ser medida com um ou mais sensores de pressão. Se o único ou mais reatores contidos na zona de reação forem configurados em tal maneira que existam níveis diferentes de pressão dentro da zona de reação, a pressão em local, na zona de reação, onde a matéria-prima entra na zona de reação, através da zona de entrada para a zona de reação, nesta descrição, é considerada a pressão da zona de reação.
De preferência, a matéria-prima lignocelulósica é tratada na zona de reação sob condições ácidas ou alcalinas. O pH da matéria-prima lignocelulósica na zona de reação dependerá de a zona de reação estar sendo operada sob condições ácidas ou alcalinas. Para condições ácidas, o pH é adequado de aproximadamente 0 a 3, de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 3 ou de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3, e todos os valores intermediários de pH; por exemplo, o pH pode ser aproximadamente 0,2, aproximadamente 0,3, aproximadamente 0,4, aproximadamente 0,5, aproximadamente 1, aproximadamente 1,5, aproximadamente 2, aproximadamente 2,5 ou aproximadamente 3. Para condições alcalinas, o pH é adequado de aproximadamente 9,5 a 14, e todos os valores intermediários de pH; por exemplo, o pH pode ser aproximadamente 9,5, aproximadamente 10, aproximadamente 10,5, aproximadamente 11, aproximadamente 11,5, aproximadamente 12,5, aproximadamente 13, aproximadamente 13,5 ou aproximadamente 14.
Os ácidos adicionados para estabelecer condições ácidas na
25/47 zona de reação podem ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico ou qualquer combinação dos mesmos. A adição de ácido sulfuroso inclui a adição de dióxido de enxofre, dióxido de enxofre mais água ou ácido sulfuroso. Ácidos orgânicos podem também ser utilizados, isoladamente ou combinados com ácido mineral.
As bases adicionadas para estabelecer as condições alcalinas na zona de reação podem ser amônia, hidróxido de amônio, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou qualquer combinação dos mesmos.
O ácido, álcali ou outra substância química pode ser adicionado antes que o plug da matéria-prima lignocelulósica entre para a zona de reação, na zona de formação de plug, na própria zona de reação, ou uma combinação dos mesmos. Por exemplo, ácido ou álcali pode ser adicionado antes que a entrada para uma prensa pressurizada de rosca, ou na entrada para uma prensa pressurizada de rosca, em uma zona de drenagem de água de uma prensa pressurizada de rosca, em um alimentador p/ug-rosca pressurizado e/ou na zona de reação a montante. Se um ou mais dispositivos estiverem posicionados entre a descarga da zona de formação de plug e a zona de reação com a finalidade de quebrar ou desfibrar o plug e/ou para aquecer o plug ou o plug quebrado ou desfibrado, parte ou todo o ácido ou álcali pode ser adicionado a estes dispositivos.
De acordo com uma concretização da invenção, o reator contendo a zona de reação é do tipo vertical, incluindo reatores verticais de escoamento ascendente ou descendente. Em outra concretização da invenção, o reator é do tipo horizontal (figura 3) ou reator inclinado. O reator pode estar equipado com mecanismo interno, tal como rosca (figura 3), transportador ou mecanismo semelhante, para transportar a matéria-prima celulósica dentro da zona do reator. A matéria-prima reagida pode ser descarregada para um mecanismo de descarga, tal como descarregador de rosca de plug (figura 3), descarregador de orifício, descarregador tipo pistão e os semelhantes. Dois ou mais reatores, dispostos em série ou em paralelo, podem ser utilizados. Se dois ou mais reatores forem dispostos em série, a zona de entrada para a zona de reação significa a zona de entrada do primeiro reator.
26/47
Temperaturas e tempos de reação adequados na zona de reação dependerão de algumas variáveis, incluindo o pH na zona de reação e o grau, se existente, no qual a hidrólise dos polissacarídeos é desejada.
A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser aquecida antes que sua entrada para a zona de reação, na zona de reação ou uma combinação dos mesmos.
Em uma concretização da invenção, a matéria-prima é submetida a um pré-tratamento. O termo pré-tratamento ou pré-tratar significa um processo no qual a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições que alterem a estrutura da fibra e que aumente a suscetibilidade ou acessibilidade da celulose contida nas fibras celulósicas para etapas subsequentes de conversão enzimática, porém que resulte em conversão modesta da celulose para a própria glicose. Parte do xilano na matéria-prima lignocelulósica pode ser hidrolisada para xilose e outros produtos em um processo de prétratamento, embora processos de pré-tratamento que não hidrolisem xilano sejam também abrangidos pela invenção. Em concretizações da invenção, a quantidade de xilano hidrolisado para xilose é acima de aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 80 ou de aproximadamente 90 porcento.
O termo matéria-prima pré-tratada, nesta descrição, significa aquela que foi submetida a um pré-tratamento de modo que a celulose contida nas fibras celulósicas aumente sua suscetibilidade ou acessibilidade para etapas subsequentes de conversão enzimática. A matéria-prima prétratada contém a maior parte ou toda a celulose que estava presente na matéria-prima antes que fosse submetida ao pré-tratamento.
O pré-tratamento da matéria-prima lignocelulósica pode ocorrer sob condições ácidas ou alcalinas. Em processo de pré-tratamento ácido, o tempo na zona de reação é de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos ou de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos e todos os tempos intermediários, por exemplo, em segundos, aproximadamente 10, aproximadamente 20, aproximadamente 30, aproxi27/47 madamente 40, aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80, aproximadamente 90, aproximadamente 100, aproximadamente 110, aproximadamente 120, aproximadamente 140, aproximadamente 150, aproximadamente 160, aproximadamente 170, aproximadamente 180, aproximadamente 200, aproximadamente 250, aproximadamente 300, aproximadamente 400, aproximadamente 500, aproximadamente 550, aproximadamente 600, aproximadamente 650, aproximadamente 700, aproximadamente 750, aproximadamente 800, aproximadamente 850, aproximadamente 900, aproximadamente 950, aproximadamente 1000, aproximadamente 1050, aproximadamente 1100, aproximadamente 1150 ou de aproximadamente 1200 e em temperatura adequada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C e todas as temperaturas intermediárias, por exemplo, em graus Celsius, aproximadamente 180, aproximadamente 200, aproximadamente 210, aproximadamente 215, aproximadamente 220, aproximadamente 225, aproximadamente 230, aproximadamente 235, aproximadamente 240, aproximadamente 245, aproximadamente 250 ou de aproximadamente 260. O pH para o pré-tratamento pode ser entre aproximadamente 0,5 e aproximadamente 3 ou entre aproximadamente 1,0 e aproximadamente 2,0. Por exemplo, o pH pode ser de aproximadamente 0,5, aproximadamente 0,8, aproximadamente 1, aproximadamente 1,3, aproximadamente 1,5, aproximadamente 1,8, aproximadamente 2,0, aproximadamente 2,3, aproximadamente 2,5, aproximadamente 2,8 ou de aproximadamente 3.
Em processo de pré-tratamento alcalino, o tempo no reator é de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos ou de 2 minutos a aproximadamente 60 minutos e todos os tempos intermediários, e temperatura adequada de aproximadamente 20°C a aproximadamente 220°C ou de aproximadamente 120°C a aproximadamente 220°C e todas as temperaturas intermediárias.
A expansão da fibra com amônia (AFEX), método de prétratamento alcalino, pode gerar pouco ou nenhum monossacarídeo. Portanto, se tratamento AFEX for empregado na zona de reação, o hidrolisado pro28/47 duzido da zona de reação pode não render quaisquer monossacarídeos.
De acordo com o processo AFEX, a biomassa celulósica é posta em contato com amônia ou hidróxido de amônio, o qual está tipicamente concentrado, em vaso pressurizado. O contato é mantido por tempo suficiente para permitir que a amônia ou o hidróxido de amônio expanda (ou seja, descristaiize) as fibras de celulose. A pressão é então rapidamente reduzida, o que permite que a amônia expanda e ferva e exploda a estrutura da fibra de celulose. A amônia expandida pode ser então recuperada de acordo com processos conhecidos. O processo AFEX pode ser conduzido em temperatura de aproximadamente 20°C a aproximadamente 150°C ou de aproximadamente 20 aC a aproximadamente 100°C e todas as temperaturas intermediárias. A duração deste pré-tratamento pode ser de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos ou durante qualquer tempo intermediário.
O pré-tratamento com amônia diluída utiliza soluções mais diluídas de amônia ou hidróxido de amônio do que o AFEX. Este processo de pré-tratamento pode ou não produzir monossacarídeos. O pré-tratamento com amônia diluída pode ser conduzido em temperatura de aproximadamente 10 a aproximadamente 150°C ou em qualquer temperatura intermediária. A duração para este pré-tratamento pode ser de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos, ou qualquer duração intermediária de tempo.
Quando hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio é utilizado no pré-tratamento, a temperatura pode ser de aproximadamente 100°C a aproximadamente 140°C, ou qualquer temperatura intermediária, a duração do pré-tratamento pode ser de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos, ou qualquer duração intermediária de tempo, e o pH pode ser de aproximadamente 11a aproximadamente 13 ou em qualquer valor intermediário de pH.
Alternativamente, um processo de hidrólise ácida ou alcalina pode ser operado sob condições suficientemente extremas para hidrolisar celulose para glicose e outros produtos. Por exemplo, a quantidade de celulose
29/47 que é hidrolisada para glicose e para outros produtos pode ser de aproximadamente 40%, aproximadamente 50%, aproximadamente 60%, aproximadamente 70%, aproximadamente 80%, aproximadamente 90%, aproximadamente 95% ou até aproximadamente 100%.
Hidrólise alcalina suficientemente extrema para hidrolisar xilano e celulose pode ser conduzida por aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, ou durante qualquer tempo intermediário. A temperatura pode ser entre aproximadamente 180°C e aproximadamente 260°C, ou qualquer temperatura intermediária. O pH pode ser entre aproximadamente 0 e aproximadamente 1, ou qualquer valor intermediário de pH.
Hidrólise alcalina suficientemente extrema para hidrolisar xilano e celulose pode ser conduzida em temperatura de aproximadamente 125°C a aproximadamente 260°C, de aproximadamente 135°C a aproximadamente 260°C ou de aproximadamente 125°C a aproximadamente 180°C, ou qualquer temperatura intermediária, por aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 120 minutos, ou durante qualquer tempo intermediário, e em pH de aproximadamente 13 a aproximadamente 14, ou em qualquer valor intermediário de pH.
A matéria-prima hidrolisada ou pré-tratada existente na zona de reação pode ser despressurizada e resfriada para, por exemplo, entre aproximadamente 30°C e aproximadamente 100°C. Em uma concretização da invenção, a pressão é reduzida para proximidade atmosférica. O resfriamento e a despressurização podem ser realizados por um ou mais tanques de flash.
Se contiver celulose, a matéria-prima hidrolisada ou pré-tratada existente na zona de reação pode ser submetida à hidrólise de celulose com enzimas celulase. O termo enzimas celulase, celulase ou enzimas, nesta descrição, significa enzimas que catalisam a hidrólise de celulose para produtos como glicose, celobiose e outros celo-oligossacarídeos. Celulase é um termo genérico que indica uma mistura de várias enzimas, compreendendo exo-celobio-hidrolases (CBH), endoglucanases (EC) e β-glicosidases (pG), as quais podem ser produzidas por algumas plantas e micro
30/47 organismos. O processo da presente invenção pode ser conduzido com qualquer tipo de enzimas celulase, independentemente da sua origem.
Em geral, a temperatura no intervalo de aproximadamente 45°C a aproximadamente 55°C, ou em qualquer temperatura intermediária, é adequada para a maioria das enzimas celulase, embora a temperatura possa ser amais alta para enzimas celulase termofílicas. A dose de enzima celulose é escolhida para que o nível de conversão de celulose seja suficientemente alto. Por exemplo, uma dose apropriada de celulose pode ser de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 100,0 Unidades em Filtro de Papel (FPU ou IU) por grama de celulose, ou qualquer quantidade intermediária. A FPU representa uma medida padrão familiar para aqueles versados no estado da técnica e é definida e medida de acordo com Ghose (1987, Pure and Appl. Chem. 59:257-268). O nível de dose de β-glicosidase pode ser de aproximadamente 5 a aproximadamente 400 unidades β-glicosidase por grama de celulose, ou qualquer quantidade intermediária, ou de aproximadamente 35 a aproximadamente 100 unidades β-glicosidase por grama de celulose, ou qualquer quantidade intermediária. A unidade β-glicosidase é também medida de acordo com o método de Ghose (supra).
A hidrólise enzimática da celulose prossegue por aproximadamente 24 horas a aproximadamente 250 horas, ou durante qualquer tempo intermediário, dependendo do grau desejado de conversão. Em uma concretização da invenção, a quantidade de celulose hidrolisada para glicose é de pelo menos aproximadamente 40%, aproximadamente 50%, aproximadamente 60%, aproximadamente 70%, aproximadamente 80%, aproximadamente 90%, aproximadamente 95% ou de aproximadamente 100%. A pasta assim produzida é uma solução aquosa contendo glicose, lignina e outros sólidos suspensos não convertidos. Outros açúcares que podem ser produzidos na zona de reação podem também estar presentes na solução aquosa. Os açúcares são rapidamente separados dos sólidos suspensos e podem ser ainda processados como necessário, por exemplo, entre outros, fermentação para gerar produtos de fermentação, incluindo, entre outros, etanol ou butanol por levedura ou bactérias. Se etanol for produzido, a fermentação
31/47 pode ser realizada com uma levedura, incluindo, entre outras, Saccharomyces cerevisiae.
Os açúcares que são submetidos à fermentação supracitada podem incluir não só a glicose liberada durante a hidrólise de celulose, mas também aqueles açúcares gerados de um pré-tratamento conduzido na zona de reação, a saber, xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação dos mesmos. Estes açúcares podem ser fermentados juntos com a glicose produzida por hidrólise de celulose ou podem ser alimentados para fermentação separada. Em uma concretização da invenção, estes açúcares são convertidos para etanol, juntamente com a glicose proveniente da hidrólise de celulose, por uma cepa de levedura Saccharomyces cerevisiae dotada da capacidade de converter tanto glicose como xilose para etanol. A cepa de Saccharomyces cerevisiae pode ser modificada geneticamente de modo que seja capaz de produzir este bioproduto de valor (consultar, por exemplo, a Patente U.S. N° 5 789 210, aqui incorporada por referência neste pedido de patente), embora tenha sido relatado que algumas cepas de levedura Saccharomyces cerevisiae são naturalmente capazes de converter xilose para etanol.
Alternativamente, antes que a hidrólise enzimática, os açúcares gerados de pré-tratamento são separados dos componentes não hidrolisados da matéria-prima na pasta de matéria-prima pré-tratada, lavando-se a pasta com uma solução aquosa para produzir uma corrente de lavagem, contendo os açúcares, e uma corrente de sólidos compreendendo os componentes não hidrolisados. Expedientes adicionais para a separação incluem, entre outros, filtração, centrifugação ou outros processos conhecidos para remover sólidos presentes na fibra ou sólidos suspensos. A corrente aquosa de açúcares podem ser então concentrada, por exemplo, por evaporação, com membranas e processos semelhantes. Quaisquer traços de sólidos são removidos tipicamente por microfiltração.
Em uma concretização, a corrente aquosa de açúcares, separada dos sólidos da fibra, é fermentada para produzir álcool de açúcar por levedura ou bactéria. O álcool de açúcar pode ser selecionado a partir de xili32/47 tol, arbitol, eritritol, manitol e galactitol. De preferência, o álcool de açúcar é xilitol. Alternativamente, o açúcar é convertido para álcool, tal como etanol ou butanol, por fermentação com bactéria ou fungo natural ou recombinante. DESCRIÇÃO DETALHADA DA FIGURA 1
Como visto na figura 1, uma pasta aquosa de matéria-prima lignocelulósica com consistência de aproximadamente 3% a aproximadamente 5% (p/p) é transportada através do duto 102 para uma zona de prédrenagem 104. Nesse ponto, a água é drenada sob pressão atmosférica ou mais alta, através do duto de escoamento 106, para resultar em uma primeira pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada com consistência de aproximadamente 5% a aproximadamente 7% (p/p). A primeira pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada deixa a zona de pré-drenagem 104 e é alimentada para uma bomba de alta pressão 108 através do duto 110. A bomba de alta pressão 108 cria uma zona de alta pressão de modo que a primeira pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser bombeada através do duto 111 para a zona de entrada da zona pressurizada de drenagem de água 112 em alta pressão, por exemplo, em pressão entre aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) e 6,21 MPa (900 psia) ou entre aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) e aproximadamente 5,52 MPa (800 psia).
A zona pressurizada de drenagem de água 112 opera sob a alta pressão para expressar água adicional extraída da primeira pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada e fornecer uma segunda pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na qual a água restante é aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 ou, de mais preferência, aproximadamente 1,5 a aproximadamente 4 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica. A água expressa, substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica, é retirada e coletada em pressão de aproximadamente 2,07 x 10'3 MPa (0,3 psia) a aproximadamente 0.34 MPa (50 psia) menor do que a pressão da pasta aquosa da primeira pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na zona de entrada da zona pressurizada de drenagem de água 112 e é drenada sob
33/47 controle através do duto de escoamento 114. A água retirada contém menos do que aproximadamente 15 gramas de sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica por quilograma de água retirada. A quantidade de sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica contidos na água retirada é determinado coletando uma amostra de água retirada a partir de, por exemplo, o duto de escoamento 114, e empregando o método descrito acima para determinar a razão do peso de água para sólidos secos na amostra. Esta segunda pasta de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é impulsionada para uma zona de formação de plug 116. Como notado acima, a zona de drenagem de água está em pressão elevada. A pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada da zona pressurizada de drenagem de água 112 está relacionada com a pressão (Pr) em uma zona de reação posterior como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e Pdw, em MPa (em psia).
Na zona de formação de plug 116, a segunda pasta de matériaprima lignocelulósica parcialmente desidratada é formada em plug que atua como selo de pressão entre a zona pressurizada de drenagem de água e uma zona de reação posterior. O plug é descarregado da zona de formação de plug 116 e levado para a zona de reação 120 através de um duto de saída de tamanho apropriado 122. A zona de reação está em pressão elevada igual ou maior do que aproximadamente 0,62 MPa (90 psia) e que pode ser tão alta quanto aproximadamente 4,69 MPa (680 psia). A pressão na zona de saída da zona de formação de plug é substancialmente igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação. A diferença entre a pressão na zona de saída da zona de formação de plug e a pressão na zona de entrada para a zona do reator pode ser menor do que aproximadamente 25% da pressão na zona de entrada para a zona do reator. Por exemplo, a diferença entre a pressão na zona de saída da zona de formação de plug e a pressão na zona de entrada para a zona do reator pode ser aproximadamente 25%, aproximadamente 20%, aproximadamente 15%, aproximadamente 10% ou
34/47 ser aproximadamente 5% menor do que a pressão na zona de entrada para a zona do reator. A pressão na zona de saída da zona de formação de plug pode ser igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação. Na zona de reação 120, a matéria-prima lignocelulósica é reagida sob condições que alteram a estrutura da fibra e hidrolisam mais de cinquenta porcento do xilano contido na matéria-prima lignocelulósica para xilose ou outros produtos. Por exemplo, a quantidade do xilano que é hidrolisada para xilose ou outros produtos pode ser mais de aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80 ou de aproximadamente 90 porcento. Um tipo de reator adequado para essa finalidade é um reator de pré-tratamento operando sob condições ácidas, em que a matéria-prima lignocelulósica é reagida por período curto de tempo, por exemplo, de aproximadamente 10 até aproximadamente 180 segundos, em pH adequado, por exemplo, pH ácido de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3 e em temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C. Alternativamente, um reator de pré-tratamento operando sob condições alcalinas pode ser utilizado. A zona de reação pode ser operada, alternativamente, sob tais condições que a maior parte do xilano e da celulose contida na matéria-prima lignocelulósica seja hidrolisada para xilose ou outros produtos e glicose, respectivamente.
A matéria-prima lignocelulósica é levada através do duto 124 para zona(s) de despressurização e resfriamento 126. Na(s) zona(s) de despressurização e resfriamento 126, a pressão é reduzida para aproximadamente a atmosférica e a temperatura, reduzida para, por exemplo, entre aproximadamente 30°C e aproximadamente 100°C. Se contiver celulose, o produto reagido resfriado pode ser então transportado para uma zona de hidrólise enzimática (não mostrada) através do duto de transporte 128. Descrição detalhada da figura 2
A matéria-prima lignocelulósica é primeiramente limpa e submetida à redução de tamanho (não mostrado) até ser atingido tamanho adequado de, por exemplo, aproximadamente 1,905 cm (¾ polegadas) a aproximadamente 2,54 cm (1 polegada), ou mesmo tamanho de 12,7 cm (5 pole35/47 gadas), para fins de manuseio mecânico. A lavagem (não mostrada) é conduzida para retirada de areia, brita e outras partículas estranhas que possam causar dano ao equipamento a jusante. A matéria-prima lignocelulósica é misturada com água para formar uma pasta com consistência de até aproximadamente 20% (p/p), por exemplo, de aproximadamente 3% a aproximadamente 5% (p/p). A concentração desejada da matéria-prima na pasta é determinada por fatores como capacidade de transporte por bombeamento, requisitos da tubulação, etc. Matéria-prima lignocelulósica limpa e em pasta com consistência de, por exemplo, aproximadamente 3% a aproximadamente 5% (p/p) é armazenada em depósitos (não mostrados) com instalações para armazenamento semelhantes às de silos tipo bunker para estocagem. Estes depósitos estão situados estrategicamente em torno da usina de modo que uma única tubulação possa ser utilizada para transportar a matériaprima para a usina, bem como para transportar a água removida dos dispositivos de drenagem de água situados na usina de volta para os depósitos em um único circuito. A matéria-prima lignocelulósica é mantida em armazenamento até quando necessitada na usina. A matéria-prima lignocelulósica é transportada para a área de pré-tratamento usando bombas convencionais para manuseio de fibras.
Como visto na figura 2, uma pasta desta matéria-prima lignocelulósica é bombeada para o primeiro pré-drenador 202 através do duto 204.
O primeiro pré-drenador 202 é uma carcaça sólida geralmente cilíndrica 206 dentro da qual há uma tela concêntrica 202 e, concêntrica com a mesma, um filete de rosca, montado sobre a haste 211. O filete de rosca 210, quando está rodando, move a matéria-prima lignocelulósica para diante e serve também como limpador que movimenta a matéria-prima lignocelulósica escoada e a afasta da tela 208, evitando assim que a tela seja obstruída. O pré-drenador 202 inclui também um sistema de escoamento com baixo nível de água 212 para direcionar a água drenada através do primeiro tubo de drenagem de água 214, e esta água drenada pode ser devolvida para a área de depósito de armazenamento a ser utilizada para formar a pasta da matéria-prima lignocelulósica.
36/47
A água desta primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é drenada apenas o suficiente para que a pasta de matériaprima resultante possa ser bombeada por bombas convencionais de manuseio de polpa. Estas bombas são amplamente utilizadas no setor de polpa e de papel e capazes de lidar com pastas contendo, por exemplo, de aproximadamente 7% a aproximadamente 8% (p/p) de matéria prima em peso e podem ser fornecidas pela Sulzer Corp., Andritz AG ou outras. A primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada, contendo, por exemplo, de aproximadamente 7% a aproximadamente 8% (p/p) de matériaprima, é alimentada através do duto de alimentação 216 para um tanque acumulador 218 onde é armazenada até que necessitada. Uma bomba 220 retira a primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada do tanque acumulador 218 e a bombeia através do duto 224 para a zona de entrada de uma prensa pressurizada de drenagem de água 222 em alta pressão de, por exemplo, aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 6,21 MPa (900 psia, de aproximadamente 5,52 MPa (800 psia), ou de mais preferência, aproximadamente 0,97 MPa (140 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia), O duto 224 está conectado a uma porta de entrada de matéria-prima (não mostrada) em uma prensa pressurizada de drenagem de água 222, e a pressão da matéria-prima na zona de entrada da zona de drenagem de água pode ser medida com sensor de pressão situado na porta de entrada de matéria-prima.
A prensa pressurizada de drenagem de água 222 consiste em uma carcaça sólida geralmente cilíndrica 226, dentro da qual há uma tela concêntrica 228, bem como um filete de rosca concêntrica 230 para extrair água da pasta de matéria-prima lignocelulósica. A carcaça 226 é projetada para suportar a pressão da pasta lignocelulósica no interior da prensa de drenagem de água, a qual pode ser de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 6,21 MPa (900 psia), de aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia) ou, de mais preferência, de aproximadamente 0,97 MPa (140 psia) a aproximadamente 5,52 MPa (800 psia). Água e outros líquidos extraídos da primeira pasta de matéria
37/47 prima lignocelulósica parcialmente desidratada são retirados para a câmara coletora de água retirada 232, de onde estes são retirados por meio sob controle (não mostrado) através de um segundo duto de escoamento de água 236. O nível superficial de água retirada na câmara coletora 232 é acima da elevação do ponto mais alto da tela concêntrica 228 e acima da elevação do sensor de pressão que é utilizado para medir a pressão da matéria-prima na zona de entrada da zona de drenagem de água. A pressão da água retirada na câmara 232 é de aproximadamente 2,07 x 10'3 MPa (0,3 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia) menor do que a pressão da primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na entrada para a prensa de drenagem de água 222. A pressão de água retirada em câmara coletora 232 é medida com sensor de pressão situado mais baixo do que o nível superficial da água retirada na câmara e em elevação igual àquela do sensor de pressão utilizado para medir a pressão da matéria-prima na zona de entrada da zona de drenagem de água. A água retirada, substancialmente livre de matéria-prima lignocelulósica, é retirada através do duto 236 e pode ser devolvida para a área de depósito de armazenamento a ser utilizada para formar a pasta da matéria-prima lignocelulósica. A água retirada contém menos de aproximadamente 15 gramas de sólidos seco de matéria-prima por quilograma de água retirada. A quantidade de sólidos secos de matériaprima lignocelulósica contida na água retirada é determinada, coletando uma amostra de água retirada a partir, por exemplo, do duto de escoamento 236 e empregando o método descrito acima para determinar a razão do peso de água para sólidos secos na amostra. Uma segunda matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é descarregada da prensa pressurizada de drenagem de água 222 para o duto pressurizado 240. Esta segunda matériaprima lignocelulósica parcialmente desidratada contém água no intervalo de, por exemplo, aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica. A razão do peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica pode ser determinada coletando uma amostra da matéria-prima de, por exemplo, o duto 240, e a razão do peso determinada na amostra pelo método descrito acima. Opcio
38/47 nalmente, a segunda matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é descarregada da prensa 222 na forma de plug, formado em zona opcional de formação de plug 231. Opcionalmente, pode haver um dispositivo restritivo (não mostrado) situado na extremidade de saída da zona de formação de plug.
A segunda matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada que é descarregada para o duto 240 está a uma pressão elevada (Pdw0). Pdwo é semelhante à pressão (Pdwi) da primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na entrada da zona pressurizada de drenagem de água na prensa pressurizada de drenagem de água 222. Pdwo pode ser igual, menor ou maior do que PdWj dependendo do desenho da prensa pressurizada de rosca. A segunda matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é alimentada para um alimentador de p/ug-rosca pressurizado 238 através do duto pressurizado e de tamanho apropriado 240 depois de ácido ser-lhe adicionada para atingir pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3,0, através do duto de ajuste ácido 242. Opcionalmente, parte ou todo o ácido pode ser adicionado à matéria-prima lignocelulósica antes que a entrada para a prensa pressurizada de rosca 222, na zona de drenagem de água da prensa pressurizada de rosca 222, no alimentador de p/ug-rosca pressurizado 238 e/ou em zona de reação de pré-tratamento a jusante. O alimentador de p/ug-rosca pressurizado 238 consiste em uma coluna oca de entrada perpendicular geralmente cilíndrica 244, operativamente conectada a uma câmara de expressão geralmente frusto-cônica 246, dentro da qual está montada uma prensa frusto-cônica de rosca com movimentos concêntricos e rotativos para extrair mais água e outros líquidos da matéria-prima lignocelulósica. A matéria-prima lignocelulósica contém agora água no intervalo de, por exemplo, aproximadamente 0,5 a menos de aproximadamente 5,0 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima. De preferência, o teor de água da matéria-prima lignocelulósica é de aproximadamente 1 a aproximadamente 4 ou, de mais preferência, de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 3,5 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima. A razão do peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica é determina39/47 da por cálculos de balanço de massa que levam em conta a vazão de massa e consistência da segunda matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada e a vazão e composição da água e de outros líquidos que são extraídos do alimentador de p/ug-rosca 238. Um sistema de coleta de água coleta água que foi extraída da matéria-prima lignocelulósica em câmaras coletoras 250 e 251, de onde está retirada por meio sob controle (não mostrado) através de dutos de escoamento de água 252 e 248, respectivamente.
Um plug de matéria-prima lignocelulósica é formado em uma zona de formação de plug do alimentador de p/ug-rosca 238. Como notado acima, a matéria-prima lignocelulósica alimentada para o alimentador de ρ/ι/g-rosca está a uma pressão elevada semelhante à pressão (Pdwi) da primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na entrada para a zona pressurizada de drenagem de água da prensa pressurizada de drenagem de água 222. A pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada desta zona pressurizada de drenagem de água está relacionada com a pressão (Pr) em uma zona de reação a jusante como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e PdWi em psia (em MPa).
Essa diferença em pressão resulta na formação de um plug de matéria-prima lignocelulósica que é capaz de ser facilmente penetrado por vapor.
De acordo com esta concretização, Pdwi θ a pressão da primeira matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na zona de entrada da prensa pressurizada de drenagem de água 222. Como notado acima, a pressão pode ser medida por sensor de pressão situado na porta de entrada de matéria-prima da prensa.
O plug de matéria-prima lignocelulósica é descarregado para um vaso de entrada 258 de um reator de pré-tratamento 254 por meio de um sistema de válvulas de descarga por pressão 256. Pode haver também um triturador/raspador (não mostrado) disposto entre a descarga da zona de
40/47 formação de plug e o reator de pré-tratamento ou na entrada do reator. O vaso de entrada 258 é do tipo perpendicular geralmente cilíndrico. O vaso de entrada 258 possui uma área de seção transversal limitada por sua circunferência interna que é maior do que a área de seção transversal da superfície do plug em sua saída do alimentador de p/ug-rosca 238. Esta área de seção transversal da superfície do plug é a área definida pela interseção do plug nesta saída e um plano de seção transversal perpendicular à direção do fluxo do plug na saída. De acordo com esta concretização, a direção do fluxo do plug na saída do alimentador de p/ug-rosca 238 é paralela ao eixo longitudinal da prensa frusto-cônica de rosca montada concentricamente dentro da câmara de extração 246. O volume disponível do vaso de entrada 258 é tal que a densidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica, expressa em quilogramas de sólidos secos por metro cúbito de volume disponível do vaso, é menor do que a densidade de sólidos secos de matériaprima lignocelulósica na zona de saída da zona de formação de plug, expressa em quilogramas de sólidos secos por metro cúbico de volume do plug. Nesta concretização, a pressão na zona de saída da zona de formação de plug pode ser determinada medindo a pressão no vaso de entrada 258. A pressão dentro do vaso de entrada 258 pode ser determinada medindo-se, com sensor de pressão, a pressão total de gases (incluindo vapores) no vaso. O fundo do vaso de entrada 258 está conectado com uma porta de entrada no reator de pré-tratamento 254, e a pressão na porta de entrada é igual à pressão no vaso 258. Portanto, nesta concretização, a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação. O reator de pré-tratamento 254 compreende uma câmara de reação horizontal geralmente cilíndrica 262, para a qual é admitido vapor em alta pressão através de dutos de vapor 264. Dessa forma, o ambiente necessário para a reação de pré-tratamento é provido, ou seja, alta pressão de aproximadamente 0,62 MPa (90 psia) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia), alta temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C e pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3. A matéria-prima lignocelulósica é tratada no reator por um período de aproxi41/47 madamente 10 até aproximadamente 180 segundos. Alternativamente, o reator de pré-tratamento pode ser do tipo vertical.
A matéria-prima lignocelulósica pré-tratada é descarregada do reator de pré-tratamento através da saída 270 para um vaso de pressão com plug 266. O vaso de pressão com plug 266 consiste em um vaso de entrada perpendicular geralmente cilíndrico 272, operativamente conectado a uma câmara horizontal de descarga geralmente frusto-cônica 274, dentro da qual está montada uma rosca com movimentos concêntricos e rotativos 275 que alimenta a matéria-prima lignocelulósica para uma série de tanques de flash 275 através de um sistema de válvulas de descarga por pressão (não mostrado).
Uma série de tanques de flash 276 compreende um primeiro vaso flash 278 e um segundo tanque de flash 280, interconectados por um canal em cotovelo 282. Vapor de circulação forçada (flash) é ventilado do primeiro tanque de flash 278 através da ventilação 284. Vapor de circulação forçada é ventilado do segundo tanque de flash 280 através da ventilação 285. A série de tanques de flash reduz a temperatura em estágios para aproximadamente 100°C. Esse produto lignocelulósico pré-tratado resfriado é admitido para uma câmara horizontal de descarga geralmente cilíndrica 294, equipada com transportador de rosca montada com movimentos rotativos 296, através de um canal de conexão 288 dotado com dispositivo de alimentação com travamento por pressão 290. A câmara horizontal de descarga geralmente cilíndrica 294 está operativamente conectada a tanques de flash a vácuo 286 para reduzir a pressão para a atmosférica por gases ventilados através de dutos de ventilação 292. O transportador de rosca 296 descarrega o produto lignocelulósico pré-tratado para hidrólise de celulose através do duto 298.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA FIGURA 3
Como visto na figura 3, uma pasta de matéria-prima lignocelulósica com consistência de até aproximadamente 20% de matéria-prima em peso, por exemplo, de aproximadamente 3% a aproximadamente 5% (p/p), no duto de pasta 302, é bombeada por meio da bomba 304 através do duto
42/47 de alimentação 306 para uma prensa pressurizada de rosca de drenagem de água, indicada por numero de referência geral 308. A prensa pressurizada de rosca drenagem de água 308 compreende uma carcaça sólida geralmente cilíndrica 305 com porta radial de entrada 312 e porta radial de saída 314. A linha de alimentação 306 introduz matéria-prima lignocelulósica para prensa de rosca 308 através da porta de entrada 312 em pressão de, por exemplo, aproximadamente 0,48 MPa (70 psia) a aproximadamente 6,21 MPa (900 psia). A pressão pode ser determinada medindo-a com sensor de pressão situado na porta de entrada 312. Uma tela 316 está disposta concentricamente dentro da carcaça 305 para criar um espaço externo anular 318 entre a tela e a circunferência interna da carcaça 305. Uma rosca 320 está montada com movimentos concêntricos e rotativos dentro da tela 316, os filetes 322 desta rosca cujo diâmetro externo é geralmente constante e que está presa a uma haste de rosca frusto-cônica com diâmetro crescente a partir da extremidade de entrada 324 para a extremidade de saída 326 da prensa pressurizada de rosca de drenagem de água 308. Água e quaisquer outros líquidos que foram extraídos da pasta de matéria-prima lignocelulósica são retirados para o espaço anular 318 que serve como câmara coletora para a água retirada. O nível superficial de água retirada no espaço anular 318 está mais baixo do que a elevação do sensor de pressão, utilizado para medir a pressão da pasta de matéria-prima lignocelulósica na entrada da prensa de rosca 308. A pressão da água retirada no espaço anular é aproximadamente 2,07 x 10'3 MPa (0,3 psia) a aproximadamente 0,34 MPa (50 psia) mais baixa do que a pressão da pasta de matéria-prima na entrada da prensa de rosca 308. A pressão de água retirada no espaço anular 318 é determinada medindo-a com sensor de pressão situado mais baixo do que o nível superficial da água retirada no espaço anular, e ajustando esta pressão medida adicionando a altura de elevação correspondente à altura de água retirada entre a elevação do sensor de pressão e a elevação na qual a pasta de matéria-prima lignocelulósica é medida com o sensor de pressão situado na porta de entrada 312. A densidade de água retirada no espaço anular 318 é levada em conta para calcular esta altura de elevação. O espaço anular
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318 está conectado através da porta de saída 314 para uma turbina 332 que extrai água retirada, a qual está a uma pressão de matéria-prima lignocelulósica na extremidade de entrada 324. Através do primeiro tubo de escoamento 330. A água retirada contém menos do que aproximadamente 15 gramas de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica por quilograma de água retirada. A quantidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica contida na água retirada é determinada coletando uma amostra de água retirada a partir de, por exemplo, o tubo de escoamento 330, e empregando o método descrito acima para determinar a razão do peso de água para sólidos secos na amostra. A água retirada, ou prensada, pode ser então enviada para um sistema de formação de pasta a partir da devolução do prensado (não mostrado) através do duto 334. A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada deixa a zona de drenagem de água da prensa de rosca na extremidade de saída 326. A razão do peso de sólidos secos de matériaprima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada está, de preferência, no intervalo de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1 e, mais preferivelmente, esta razão está no intervalo de aproximadamente 1:5 a aproximadamente 4:1. A razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser determinada coletando uma amostra da matéria-prima a partir de, por exemplo, a extremidade de saída 326 da prensa de rosca, e determinado a razão do peso na amostra pelo método descrito acima. Alternativamente, a razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode ser determinada por cálculos de balanço de massa que levam em conta a vazão de massa e consistência da pasta de matéria-prima lignocelulósica e a vazão e composição de qualquer outro material que é alimentado para a prensa de rosca de drenagem de água 308, e a vazão de massa e composição da água e de quaisquer outros líquidos extraídos da prensa de rosca de drenagem de água 308.
A extremidade de saída 326 da prensa pressurizada de rosca
308 está operativamente conectada a uma zona de formação de plug 336.
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Um plug da matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é formado na zona de formação de plug 336 e é descarregado na saída de plug 337. Pode haver um dispositivo restritivo (não mostrado) na saída de plug 337. A pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada do dispositivo de drenagem de água está relacionada com a pressão (Pr) em uma zona de reação a jusante como segue:
< ΔΡ < o menor de [(Pr - 0,14 MPa (20 psia) e 1,52 MPa (220 psia)], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e PdWi em psia (em MPa).
De acordo com esta concretização, Pdwi é a pressão na porta de entrada 312 da prensa pressurizada de rosca de drenagem de água 308.
A diferença de pressão (ΔΡ) resulta na formação de um plug de matéria-prima lignocelulósica que é capaz de ser facilmente penetrado por vapor. A porta de entrada 338 está operativamente conectada a uma fonte de vapor através do duto de entrada de vapor 342. A pressão do vapor é igual ou maior do que a pressão (Pr) na zona do reator. O plug de matériaprima parcialmente desidratada, a qual contém água no intervalo de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima, é alimentado para um reator de pré-tratamento 352 através de uma câmara de alimentação 343 e um rolo triturador curvo (lump-breaker) para porta de entrada 350 do reator de pré-tratamento 352. Como discutido abaixo, um ácido pode ser adicionado à matéria-prima lignocelulósica na entrada para zona de formação de plug. Se ácido não for adicionado na zona de formação de plug, a razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica no plug de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada será igual à razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica no plug de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada. Se ácido aquoso for adicionado para a zona de formação de plug, a razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica no plug de matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada na zona de formação de plug pode ser determinada por cálculo, levando em conta a razão do peso de água para sólidos secos de matéria
45/47 prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidrata e a quantidade de água que é adicionada com o ácido. O vapor alimentado para o sistema através da porta de entrada 338 aquece a matéria-prima lignocelulósica e eleva a temperatura dentro do reator de pré-tratamento 352 para o nível desejado.
Uma haste impulsora para rosca com movimentos rotativos 320 é movida por movimentação variável da frequência VFD A, e parte da haste atravessa a câmara de alimentação. O volume disponível da câmara de alimentação 343, ou seja, o volume interno total da câmara menos o volume da haste impulsora que se encontra no interior da câmara, é tal que a densidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica na câmara, expressa em quilogramas de sólidos secos por metro cúbico de volume disponível da câmara, é menor do que a densidade de sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica por metro cúbico de volume de plug. Nesta concretização, a pressão na zona de saída da zona de formação de plug pode ser determinada medindo-a na câmara de alimentação 343. A pressão dentro da câmara de alimentação 343 pode ser determinada medindo-se, com sensor de pressão, a pressão total de gases (incluindo vapores) na câmara. A pressão na entrada do triturador de rolo curvo 344 é igual à pressão na saída do triturador de rolo curvo. A saída do triturador de rolo curvo está diretamente conectada a uma porta de entrada 350 no reator de pré-tratamento 254. Portanto, nesta concretização, a pressão na zona de entrada da zona de formação de plug é igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação.
O reator de pré-tratamento 352 compreende um vaso geralmente cilíndrico em orientação horizontal dentro do qual um transportador de rosca está concentricamente montado 354 com filetes uniformes 356. O reator de pré-tratamento opera em pressão de aproximadamente 0,62 MPa (90 psia) a aproximadamente 4,69 MPa (680 psia), pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3,0 e temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C. A matéria-prima lignocelulósica é tratada no reator por um período de aproximadamente 10 até aproximadamente 180 segundos. O pH desejado no reator 352 pode ser obtido adicionando ácido à matéria
46/47 prima lignocelulósica antes que a entrada para a prensa pressurizada de rosca, na entrada para a prensa pressurizada de rosca, na zona de drenagem de água da prensa pressurizada de rosca, na entrada para a zona de formação de plug, entre a saída da zona de formação de plug e a porta de entrada para o reator de pré-tratamento, no reator de pré-tratamento ou qualquer combinação dos precedentes. De preferência, o ácido é adicionado à matéria-prima lignocelulósica antes que a entrada para a prensa pressurizada de rosca ou na entrada para a prensa pressurizada de rosca a fim de facilitar a mistura uniforme de ácido e matéria-prima lignocelulósica antes que a temperatura da matéria-prima lignocelulósica seja elevada para a temperatura de reação de pré-tratamento.
O transportador de rosca 354 descarrega matéria-prima lignocelulósica reagida através do canal radial de saída 358 para um descarregador de p/ug-rosca indicado pelo número de referência geral 368. O descarregador de p/ug-rosca 368 compreende uma seção cilíndrica de entrada 362, fundindo-se em uma seção frusto-cônica de saída 364. Dentro deste descarregador de p/ug-rosca está um transportador frusto-cônico de rosca 366 cujos filetes decrescem em diâmetro da seção de entrada 362 para a seção de saída 364. O transportador de rosca transfere a matéria-prima lignocelulósica reagida através de um tubo cilíndrico de saída 370 que alimenta para um tanque de flash indicado pelo número de referência geral 382.
O tanque de flash 382 compreende uma seção superior cilíndrica 372, tampada por um domo 376 e finalizando em uma ventilação de saída 378, que conduz, através do tubo de ventilação 380, para evaporadores (não mostrados). O tanque de flash 382 compreende uma seção frusto-cônica inferior que finaliza em uma seção horizontalmente disposta de entrada 384. A matéria-prima lignocelulósica pré-tratada é admitida à seção de entrada 384 do tanque de flash 382 através de um tubo cilíndrico de saída 370 e um sistema de válvulas de descarga 386. O tanque de flash 382 opera em pressão mais baixa do que a pressão no reator de pré-tratamento 352. À medida que matéria-prima lignocelulósica é admitida ao tanque de flash, vapor em circulação forçada é aplicado e a matéria-prima lignocelulósica é resfriada.
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Embora apenas um tanque de flash seja mostrado na figura 3, dois ou mais tanques de flash, dispostos em série e operado em pressões sucessivamente mais baixas, podem ser utilizados para gerar vapor de circulação forçada em diferentes pressões e para resfriar a matéria-prima lignocelulósica pré5 tratada. O produto lignocelulósico pré-tratado despressurizado resfriado é descarregado através do canal de descarga 394 por meio de descarregador rotativo 390 para o transportador de rosca reversível indicado pelo número de referência geral 392.
O transportador de rosca reversível 392 compreende uma car10 caça horizontal cilíndrica dentro da qual está montada uma rosca reversível 396. O transportador de rosca reversível 392 inclui também duas portas radiais de saída 301 e 303. A saída 301 leva para o duto 305 através do qual matéria-prima lignocelulósica pré-tratada fora da especificação pode ser removida e potencialmente reprocessada. A saída 303 leva para hidrólise en15 zimática através do tubo de produto 307. O transportador de rosca reversível 392 inclui também uma porta de ventilação pela qual circula vapor, vapor de água e/ou gases através do duto 311.

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica para produzir monossacarídeos, caracterizado pelo fato de que compreende:
    a) prover zonas interconectadas de drenagem de água (112), de formação de plug (116) e de reação (120), cada uma das zonas de drenagem de água, de formação de plug e de reação dotadas de zona de entrada e zona de saída, a zona de saída da zona de drenagem de água (112) estando operacionalmente associada com a zona de entrada da zona de formação de plug (116) e a zona de saída da zona de formação de plug (116) estando operacionalmente associada com a zona de entrada para a zona de reação (120), em que a pressão (Pr) na zona de reação é de 621 kPa a 4688 kPa;
    b) alimentar uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para a zona de drenagem de água (112) para produzir matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada apresentando uma proporção em peso de água e matéria-prima lignocelulósica sólida seca de 0,5:1 a 5:1, e um líquido aquoso, em que a pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
    0 < ΔΡ < o menor de [(Pr - 138 kPa e 1517 kPa], em que ΔΡ é a diferença absoluta na pressão entre Pr e Pdwi;
    c) retirar, da zona de drenagem de água (112), uma parte do líquido aquoso para gerar um líquido aquoso retirado, o líquido aquoso retirado estando livre de matéria-prima lignocelulósica sólida, e a uma pressão mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água;
    d) movimentar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada vinda da zona de saída da zona de drenagem de água (112) para a zona de entrada da zona de formação de plug (116);
    e) formar um plug de matéria-prima lignocelulósica dentro da zona de formação de plug (116) para criar um selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água (112) e a zona de entrada da zona de reação (120);
    Petição 870180072152, de 17/08/2018, pág. 6/13
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    f) alimentar o plug de matéria-prima lignocelulósica proveniente da zona de saída da zona de formação de plug (116) para a zona de entrada da zona de reação (120), em que a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação;
    g) manter condições de temperatura e pH na zona de reação (120) adequadas para hidrolisar polissacarídeos na matéria-prima lignocelulósica para produzir os monossacarídeos; e
    h) recuperar os monossacarídeos produzidos na etapa g).
    2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão (Pr) na zona de reação é de 1999 kPa a 4688 kPa e em que
    0<ΔΡ< 1517 kPa.
  3. 3. Método para hidrolisar polissacarídeos em matéria-prima lignocelulósica para produzir monossacarídeos, caracterizado pelo fato de que compreende:
    a) prover zonas interconectadas de drenagem de água (112), formação de plug (116) e de reação (120), cada uma destas zonas de drenagem de água, formação de plug e de reação dotadas de zona de entrada e zona de saída, a zona de saída da zona de drenagem de água (112) estando operacionalmente associada com a zona de entrada da zona de formação de plug (116) e a zona de saída da zona de formação de plug (116) estando operacionalmente associada com a zona de entrada para a zona de reação (120), em que a pressão (Pr) na zona de reação é de 621 kPa a 4688 kPa;
    b) alimentar uma pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica para a zona de drenagem de água (112) para produzir matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada apresentando uma proporção em peso de água e matéria-prima lignocelulósica sólida seca de 0,5:1 a 5:1, e um líquido aquoso, em que a pressão (Pdwi) da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água está relacionada com Pr como segue:
    0 < ΔΡ < o menor dentre [(Pr - 138 kPa) e 11517kPa], e onde ΔΡ é a diferença absoluta em pressão entre Pr e Pdwi
    Petição 870180072152, de 17/08/2018, pág. 7/13
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    c) retirar, da zona de drenagem de água (112), uma parte do líquido aquoso para gerar um líquido aquoso retirado, o líquido aquoso retirado estando livre de matéria-prima lignocelulósica sólida, e a uma pressão mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona de drenagem de água;
    d) movimentar a matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada vinda da zona de saída da zona de drenagem de água (112) para a zona de entrada da zona de formação de plug (116);
    e) formar um plug de matéria-prima lignocelulósica dentro da zona de formação de plug (116) para criar um selo de pressão entre a zona de saída da zona de drenagem de água (112) e a zona de entrada da zona de reação (120);
    f) alimentar o plug de matéria-prima lignocelulósica proveniente da zona de saída da zona de formação de plug (116) para a zona de entrada da zona de reação (120), em que a pressão na zona de saída da zona de formação de plug é igual à pressão na zona de entrada para a zona de reação; e
    g) pré-tratar a matéria-prima lignocelulósica na zona de reação (120) para produzira matéria-prima pré-tratada.
  4. 4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica apresenta razão em peso de água para sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica de 5:1 a 33:1 antes da entrada na zona de drenagem de água.
  5. 5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o plug de matéria-prima lignocelulósica na zona de saída da zona de drenagem de água exibe razão do peso de água para sólidos secos de matéria-prima lignocelulósica de 0,5:1 a 5:1.
  6. 6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na entrada da zona de drenagem de água é de 483 kPa a 5516 kPa.
    Petição 870180072152, de 17/08/2018, pág. 8/13
    4/4
  7. 7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a pressão do líquido aquoso retirado da zona de drenagem de água é 2 kPa a 345 kPa mais baixa do que a pressão da pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica na zona de entrada da zona 5 de drenagem de água.
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