BR112015000463B1

BR112015000463B1 - Método para a extração da biomassa

Info

Publication number: BR112015000463B1
Application number: BR112015000463-6A
Authority: BR
Inventors: Sebastian Von Schoultz
Original assignee: Ch-Bioforce Oy
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2021-07-20
Also published as: US20150167234A1; EP2872536B1; PL2872536T3; FI124553B; EP2872536A1; PT2872536T; WO2014009604A1; CN104470952B; LT2872536T; CN104470952A; CA2878519A1; BR112015000463A2; US20200256013A1; DK2872536T3; SI2872536T1; EP2872536A4; HUE046547T2; ES2757853T3; CA2878519C; FI20120229A

Abstract

método para a extração da biomassa. a presente invenção refere-se ao método para a extração da biomassa com água a fim de separar as hemiceluloses de uma estrutura fibrosa. de acordo com a invenção a biomassa é impregnada sob pressão reduzida com o fluido da extração a fim de evitar a degradação dos componentes a serem extraídos. durante a extração o extrato é circulado através da matriz da fibra a fim de remover os componentes indesejáveis do extrato. de acordo com a invenção o extrato é reutilizado para a extração da biomassa não tratada a fim de aumentar a consistência do extrato.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um método para a extração de açúcares e seus derivados e os polissacarídeos correspondentes especialmente hemiceluloses da biomassa lignocelulósica com água quente. Em particular a presente inovação diz respeito a um método para a produção de elevada concentração de extrato de hemicelulose de elevada pureza com o uso mínimo de água. O extrato é circulado através da biomassa, várias vezes, e como resultado da concentração das hemiceluloses na fase de água é aumentado. O circuito de circulação é vital a fim de o material de não hemicelulose, tal como, lignina, a ser adsorvido de volta a biomassa. A circulação também permite condições suaves de extração quanto à temperatura, pressão e pH quando o método não requer extração máxima durante o primeiro circuito de extração. A degradação e a oxidação mínima das hemiceluloses são obtidas por meio da remoção virtualmente de todo o ar e especialmente gás oxigênio do interior dos poros da biomassa durante uma etapa de impregnação assistida pela pressão reduzida. A concentração do extrato é aumentada por meio do uso do mesmo extrato nas várias extrações da biomassa nova e previamente não extraída.

Descrição da Técnica Relacionada

[002] A biomassa com base em madeira contém cerca de 25 % de hemiceluloses. A extração da biomassa é um processo muito bem conhecido e foi tradicionalmente extraído com álcali. Durante este tipo de tratamento as hemiceluloses são degradadas e o material fibroso é decomposto.

[003] A extração tradicional apenas com água quente degrada os açúcares nos compostos tóxicos, tal como, furfural.

[004] A explosão de vapor é outro método bem conhecido para a extração dos carboidratos da biomassa. De qualquer modo, até mesmo este método envolve a formação de compostos tóxicos.

[005] Um método reenviado para a extração das hemiceluloses da biomassa envolve o fluxo contínuo da extração de água quente. O problema com este método é, que produz um extrato muito diluído contendo até 30 % de impurezas de lignina (WO 2009/122018 e Leppanen e outros.: Pressurized hot water extraction of Norway spruce hemicelluloses using a flow-through system, Wood Sci Technol (2011) 45:223-236).

[006] Todos os métodos de extração de hemiceluloses conhecidos dos resultados no teor dos sólidos do extrato extremamente baixo, e requererem concentração dispendiosa do extrato. Isto resulta em um produto economicamente não saudável para transporte e tratamento adicional. (WO 0034568, US 2008029233, US 8136747, DE 3225074).

[007] Uma recente publicação de patente WO 2007090926 descreve um método para a recuperação das hemiceluloses com concentração mais elevada através de vapor de hidrólise. A desvantagem com esta metodologia é que a hidrólise sempre envolve a desacetilação das hemiceluloses que efetivamente reduz sua solubilidade em água e também degrada os polímeros pela redução da massa molar. A indústria química e de alimento é interessada nos polissacarídeos com massa molar elevada em que o método acima mencionado é incapaz de fornecer.

[008] Publicação WO 0061276 descreve um método para hidrólise das hemiceluloses principalmente nos açúcares monoméricos que é uma desvantagem especialmente se os polímeros são desejados.

[009] O principal problema com os métodos conhecidos é o fato de que eles não eficientemente evitam a oxidação, hidrólise, degradação e desacetilação da biomassa. Especialmente a presença de ar e de gás oxigênio no interior dos poros da biomassa tem evitado um processo de extração eficiente e suave. Tradicionalmente a impregnação da biomassa e remoção de ar do interior de capilares de biomassa tem sido, por exemplo, obtida através de pré-vaporização da biomassa com vapor em alta temperatura e alta pressão. De qualquer modo, este processo causa oxidação e hidrólise das hemiceluloses e é, por esse motivo, inadequado para a extração de hemiceluloses sem degradação. Sumário da Invenção

[010] É um objetivo, desta invenção, superar os problemas relacionados à técnica conhecida para fornecer um método melhorado para a extração da biomassa com água.

[011] Em particular, é um objetivo da invenção fornecer um método que efetivamente minimiza a oxidação e a degradação do extrato de biomassa.

[012] Também é um objetivo fornecer um método para concentrar e purificar o extrato com o mínimo consumo de água, sem a necessidade de etapas custosas de evaporação e de purificação.

[013] Mais especificamente, o método de acordo com a invenção é caracterizado por que é estabelecido na reivindicação 1.

Descrição Detalhada da Invenção

[014] A presente invenção é baseada na descoberta de que o ar e, mais especificamente, o gás oxigênio causa grave oxidação e degradação dos açúcares e polissacarídeos em elevadas temperaturas. A redução da pressão de ar no interior de um reator contendo biomassa, após o enchimento do reator com água efetivamente enche os capilares da biomassa resultante em um ambiente quase completamente livre de oxigênio no interior da biomassa.

[015] A presente invenção também é com base na descoberta de que a recirculação do extrato através da biomassa purifica o extrato dos compostos indesejáveis, tais como, lignina e outros polifenóis. A presença de substâncias fenólicas, tal como, lignina no extrato, reduz a capacidade dos micróbios digerir os polissacarídeos e, por esse motivo, a produção de biocombustíveis torna-se menos econômica.

[016] O método, de acordo com a invenção, permite um longo tempo para o extrato ser mantido em elevadas temperaturas sem significante oxidação e degradação das moléculas e polímeros no extrato. Este também permite o extrato ser reutilizado para a extração da biomassa não extraída que permite a consistência do extrato ser significativamente aumentada sem evaporação do solvente.

[017] Removendo-se as hemiceluloses da parte fibrosa o valor energético e o teor de lignina da biomassa aumentar. Ao mesmo tempo as propriedades da parte fibrosa se tornam mais adequadas para a produção de péletes e aglomerados.

[018] Por esse motivo, presente invenção compreende as etapas:

[019] - Alimentar a biomassa em um reator

[020] - Remover a maior parte do ar e do gás oxigênio da biomassa reduzindo a pressão no interior do reator

[021] - Impregnar a biomassa com a água da extração. Durante a primeira extração que é a água comum e nas extrações posteriores este é o extrato da extração anterior

[022] - Iniciar a circulação da água da extração através da biomassa

[023] - Aumentar a temperatura para a temperatura de extração

[024] - Circular o fluido da extração até que a pureza e a consistência desejada é alcançada

[025] - Remover a água da extração do reator

[026] Remover a biomassa do reator

[027] - Iniciar ao longo da primeira etapa

Exemplos

[028] O efeito da impregnação e a circulação do extrato sob pressão reduzida (0,8 Bar sob pressão) foi investigado. A biomassa foi de 200 gramas (O.D.) de lascas da espinha dorsal de Scott (Pinus Sylvestris). A água para a ração de madeira foi de 5:1. A água da extração foi mantida a 150°C durante duas horas. Nos experimentos com circulação, o extrato havia circulado 10 vezes através da biomassa. O pH do extrato foi medido a cada meia hora. Nos experimentos em que a biomassa foi impregnada, em consequência a maior parte do ar e do gás oxigênio foi removida do reator, sem alterações no pH, pode ser observada. Nos experimentos sem impregnação sob pressão reduzida uma queda significante no pH, tipicamente em uma unidade de pH foi registrada. Isto indicou que a formação de ácidos, especialmente através da desacetilação da biomassa não ocorreu nos experimentos com impregnação. O produto das extrações é mostrado na Figura 1. Os extratos foram anlisados por meio de cromatografia gasosa para os carboidratos (SundbergA, SundbergK, Lillandt C, HolmbomB (1996). A determinação das hemiceluloses e pectinas na madeira e fibras da polpa por meio de metanólise de ácido e cromatografia gasosa. Nord Pulp Pap Res Jll(4):216-219) e extrativos lipofílicos (F. Orsa, B. Holmbom and J.Thornton, Wood Sci. Technol. 31 (1997) 279). A lignina foi determinada de acordo com o método para Iiyama e outros (Iiyam, K.; Wallis, A. F A. Um procedimento melhorado de brometo de aceila para determinar a lignina na madeira e polpas de madeira. Wood Sci. Technol. 1988, 22, 271-280). As amostras sem impregnação e circulação continham 55 % de hemiceluloses, 35 % de lignina e 5 % de extrativos lipofílicos e 5 % de não identificados. As amostras sem impregnação e com circulação continham 90 % de hemiceluloses, 1,5 % de extrativos lipofílicos e 8,5 % de não identificados. As amostras com impregnação e circulação continham 96 % de carboidratos e 0,5 % de compostos lipofílicos. Os 3,5 % restantes não foram identificados. Os resultados mostram claramente que a circulação remove a maioria dos extrativos e lignina inicialmente liberada. A impregnação e os procedimentos de remoção de ar e oxigênio claramente aumentam o produto da extração e reduz a quantidade de componentes não identificados que são os fragmentos de lignina mais provavelmente oxidizados. Comparando-se a composição do extrato quando empregando igualmente a impregnação e circulação com um extrato produzido de acordo com o método descrito em WO 2009122018, podemos ver claramente os benefícios do uso do método descrito neste documento (Figura 2). Este método produz um extrato sem impurezas indesejáveis, especialmente lignina.

[029] A Figura 1 mostra o produto da extração das seis diferentes extrações:

[030] duas sem impregnação sob pressão reduzida e sem circulação do extrato

[031] duas sem impregnação sob pressão reduzida, mas com circulação do extrato

[032] duas com impregnação sob pressão reduzida e circulação do extrato.

[033] A oxidação dos componentes extraídos foi evitada por manter o extrato no ambiente com gás oxigênio reduzido. A extração sob presença minimizada de gás oxigênio produz um extrato transparente e amarelo claro. De qualquer modo, se o extrato entra em contato com o gás oxigênio, este torna-se castanho escuro dentro de minutos e a oxidação continuará até mesmo em temperatura ambiente. Os extratos que foram removidos do reator no ambiente saturado de nitrogênio não mostraram sinais de oxidação nem a cor do extrato se alterou.

[034] Ao reutilizar o extrato da extração anterior a consistência do extrato pode ser aumentada significativamente por meio de cada lote, sem quaisquer alterações significantes no pH do extrato ou da massa molar e composição dos carboidratos. A Figura 3 mostra o aumento da consistência do extrato por meio da reutilização do extrato.

Claims

1. Método de tratamento de biomassa contendo uma estrutura fibrosa e polissacarídeos, compreendendo: submeter a biomassa a tratamento extrativo onde é aquecida em fase aquosa a uma pressão abaixo de 800 kPa (8 bar) e a uma temperatura inferior a 160°C, a fim de separar os polissacarídeos da biomassa; CARACTERIZADO pelo fato de que - a biomassa é impregnada com a água da extração sob pressão reduzida, de pelo menos 30 kPa (0,3 bar) sob pressão, antes da extração - o extrato é continuamente recirculado através da biomassa a fim de manter o nível de gás oxigênio em um mínimo durante toda a extração; - o extrato rico em polissacarídeo é separado da biomassa em um ambiente com gás oxigênio reduzido como uma primeira fração; - a estrutura fibrosa da biomassa é recuperada como uma segunda fração; - o extrato é reutilizado para a extração da biomassa não extraída; e - pelo menos uma das frações é submetida a tratamento adicional.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o extrato do carboidrato é separado na forma de oligômeros e polímeros.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o extrato do carboidrato é hidrolisado ou usado como alimento para os micróbios na produção de combustível ou como matéria-prima para produtos químicos.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração fibrosa é submetida para a separação de lignina a partir da estrutura fibrosa.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração fibrosa é empregada para a produção de papel e cartão.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração fibrosa é empregada para a produção de péletes ou como matéria-prima para combustível.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fração fibrosa é empregada para a produção de painel de partícula (aglomerado).

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa é com base em madeira, em particular lascas ou serragem.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa é composta de lascas comprimidas.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa é não madeira, em particular bagaço e palha.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa é submetida a tratamento extrativo no qual é aquecida em fase aquosa a uma pressão abaixo de 800 kPa (8 bar) e a uma temperatura de 150° C, a fim de separar os polissacarídeos da biomassa.