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Title:
LIGNOCELLULOSIC BIOMASS PRE-TREATMENT METHOD, PRODUCTION OF CELLULOSE SOLUTION AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/024367
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a lignocellulosic biomass pre-treatment method, preferably for sugar cane bagasse, from protic ionic liquids, in order to produce sugars via enzymatic hydrolysis in second generation production of ethanol or other potential products from fermentation processes. Pre-treatment is performed by synthesis, recovery and reuse of protic ionic solvents. The yield of the pre-treatment was of 53% by mass, with high biomass solubilisation, and high glucose conversion during hydrolysis (70%).

Inventors:
DA COSTA, Aline Carvalho (Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" - Distrito de Barão Geraldo, CEP -852 - Campinas - SP, 13083, BR)
ROCHA, Enio Gomes De Azevedo (Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" - Distrito de Barão Geraldo, CEP -852 - Campinas - SP, 13083, BR)
AZNAR, Martin (Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" - Distrito de Barão Geraldo, CEP -852 - Campinas - SP, 13083, BR)
Application Number:
BR2016/000067
Publication Date:
February 16, 2017
Filing Date:
July 14, 2016
Export Citation:
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Assignee:
1UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP (Rua Roxo Moreira 1831, Cidade Universitária - "Zeferino Vaz" - Distrito de Barão GeraldoCaixa Postal 6.131 - Campinas - SP, CEP -970, 13083, BR)
International Classes:
C08B1/00; C08H8/00; C08J3/02; C08L97/00; C12P19/00
Domestic Patent References:
WO2014113884A12014-07-31
Foreign References:
BRPI0620365A22011-11-08
Other References:
ROCHA E. ET AL.: "Use of protic ionic liquids as biomass pretreatment for lignocellulosic ethanol production", CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, vol. 37, May 2014 (2014-05-01), pages 397 - 402, XP055363655
COSTA LOPES A.M. ET AL.: "Ionic liquids as a tool for lignocellulosic biomass fractionation", SUSTAINABLE CHEMICAL PROCESSES, vol. 1 3, XP021151758
Attorney, Agent or Firm:
SILVADO, Fernanda Lavras Costallat (Rua Roxo Moreira 1831 - Cidade Universitária, "Zeferino Vaz" - Distrito de Barão GeraldoCaixa postal 6.13, -970 - Campinas SP, CEP-13083, BR)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES

1. Processo de pré-tratamentc dé bio.irta.ssa lígnocelulósica, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

a) Moagem e peneiramento da bíemassa

b) Adição da biomassa obtida em (a) ao líquido íônico prótíeo;

c) Lavagem regeneração da celulose

d) Filtragem da celulose precipitada na solução (c) ; e} Obtenção de solução de celulose;

f) Centrifugação dos: líquidos iónicos removidos da etapa (d.) ;

g) Lavagem, com aquecimento e agitação da lignina decantada na etapa ( )

h) Recuperação dos líquidos iónicos obtidos da etapa ( f. ) ; e

i) Reutilização dos líquidos iónicos obtidos em (h) .

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterisado pelo fato da etapa (a) ser opcional.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da biomassa lignocelulósica ser pre erencialmente do bagaço da cana-de-açúcar .

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracteriaado pelo fato dos líquidos iónicos próticos utilizados serem acetato de 2-aminoetanol (2-ΑΞΑΆ) , acetato de 2, 2 ' ---íminodietanol (2,2' -IE2AA) , hexanoato de 2- arnínoetanol (2-AEAH) , e hexanoato de 2 , 2 ' -íminodietanol (2, 2* -IE2AE) , e estarem a 5% (w/w em base seca), preferencialmente o acetato de 2-aminoetanol (2ΗΞΑΑ) .

5. Processo:, de acordo com a reivindicação 1, ca acterigado pelo fato da biomassa obtida em (a) com o liquido idnico serem submetidas com um percentual de sólidos entre 1 e 15%, preferencialmente 5%, por um período de 2 a 5 horas, preferencialmente 3,5 horas, a temperaturas entre 75 e 2Q0°C, preferencialmente 150°C, agitação entre 100 e 2QQ rpm, preferencialmente 150 rpm, e a pressão entre 600 e 800 bar, preferencialmente 733 bar.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos líquidos iónicos ricos em lignina da etapa (f) serem, centrifugados e a lignina decantada ser submetida a sucessivas lavagens com água até a obtenção de uma água de lavagem incolor, preferencialmente com o p.H neutro, aquecimento a temperatura entre 60 e 110°C, preferencialmente 80°C , e agitação entre 50 e 100 rpm, preferencialmente 80 rpm, entre 20 e 60 minutos, preferencialmente 30 minutos, filtrada em papel de filtro e seca em estufa com temperatura entre 90 e 110 °C, preferencialmente 105 ®C, entre 30 e 180 minutos, preferencialmente 90 minutos.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de na etapa (h) da lignina extraída ser recuperada do líquido iônico por centrifugação.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado peio fato de na etapa (h] , os líquidos iónicos serera separados dos eo-solventes por destilação flash, ou através de sistema com vácuo, na faixa de temperatura entre 100 e 110 °C, preferencialmente a 105°C entre 3 e 8 horas, preferencialmente 6 horas; agitação de 80 a 120 rpm, preferencialmente 100 rpm e pressão entre 600 e 800 bar, preferencialmnete 733 bar; e posteriormente reutilizados na etapa (b) no processo.

9. Solução de celulose caracterizada por ser obtida pelo processo conforme definido nas reivindicações de 1 a 8 e permitir uma taxa de conversão em glicose de pelo menos 70% em hidrolise enzimática.

10. Uso da solução de celulose conforme definida na reivindicação 9 caracterizado pelo fato de ser para a produção de etanol de segunda geração ou outros produtos potenciais oriundos de processos de fermentação.

Description:
PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA LIG QCELULÓSICA, OBTENÇÃO DE SOLUÇÃO CELULÓSIC E USO DESTA CAMPO DA INVENÇÃO

[1] A presente invenção se insere no campo da qulraica inorgânica, e. : descreve um processo de pré-tratamento de biomassa lígnocelulósica : , preferencialmente do bagaço de cana-de-açúcar, a partir de líquidos iónicos próticos, visando à obtenção 1 de açúcares, via hidrólise enzimática, para produção de etanol de segunda geração ou outros produtos potenciais oriundos de processos de fermentação. 0 pré- tratamento foi realizado mediante síntese, recuperação e reutilização dos solventes: iónicos próticos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[2] A crescente necessidade de ampliar de modo sustentável o uso de fontes renováveis de energia encontra no bioetanol de resíduos agrícolas uma alternativa com significativo potencial de expansão (Nogueira, 2008; Li et ai,, 201Q; Wang et ai., 2011; Zuet ai * , 2012; Quiet ai., 2012). Não obstante às inúmeras pesquisas nesta área, os custos envolvidos no processo ainda são pouco competitivos frente aos da produção do etanol de primeira geração e, embora a obtenção deste bíocombustivel a partir de fermentação da glicose seja uma tecnologia dominada, o grande desafio ainda é a obtenção de glicose a partir de biomassa uti lizando-se métodos "limpos" (Ogeda e Petri, 2010; Shillet ai., 012 ) .

[3] O bagaço da cana-de-açúcar é um resíduo com alta concentração d carboidratos, disponível em grande quantidade e de baixo custo ao setor sucr.oalcoolei.ro . Por. este motivo, tem sido apontado como material promissor para a produção do chamado etanol de segunda geração, obtido através da hidrólise enzimática e posterior fermentação. Não obstante, a forte recaicitrância de suas estruturas internas aumenta os custos de produção do etanol de segunda geração, requerendo a aplicação de pré-tratamento e de rotas tecnológicas para o seu processamento, por vezes inviáveis técnica e/ou economicamente.

:[4] Nos últimos anos diferentes tipos de pré- tratamentos foram investigados, incluindo ácido diluído, explosão a vapor, água quente, solvente orgânico, peróxido de hidrogénio alcalino, entre outros, mas todos apresentaram inconvenientes- próprios para aplicações em larga escala. Além disso, alguns destes métodos não são seletivos e muitas vezes produzem subprodutos indesej veis que inibem a fermentação e a conversão dos açúcares era etanol e outros produtos Ramos, 2003 Moiseret al, r 2001; Wang et al, r 2011) -

[5] No caso dos solventes orgânicos, o principal fator de interesse na utilização destes compostos está relacionado à necessidade de substituição de compostos químicos tóxicos, como os ácidos e bases, e seus co~produtos, de difícil tratamento, que geram poluição significativa para os ambientes naturais.

[61 Uma abordagem, promissora nesta área tem sido também a dissolução da biomassa em líquidos iónicos (Lis), seguida pela adição de um co-solvente para precipitar a fração de celulose da biomassa, antes da hidrólise ( Swatloskí efe aí., 2003). Por esta razão, estes solventes iónicos passaram, a ser estudados como uma alternativa ambientalmente correta (Bose et ai., 2010). [7] Apesar de ter atraído o interesse de vários pesquisadores nos últimos anos, entretanto, a maioria dos líquidos iónicos citados na literatura aberta envolvendo processos químicos para a produção direta de açúcares fermentáveis são de natureza aprotíca, formados em função da adição de R+ (tipicamente um grupo alquila) ,. com destaque para o: cloreto de l- ^ butil~3~metilimídazólío, cloreto de 1- alíl~3~metilímidazólio e acetato de l-etil~3-raetilmidazôlio (Lee et al., 2009; Sun et ai., 2009; Tanet al., 2009; Li et al., 2010; Zuet al., 2012; Fu e Mazza, 2011; Roímet al. , 2012) .

Í ' 8 ' 3 A exemplo da presente invenção, as pesquisas com outros líquidos iónicos, citadas em trabalhos como os de Marabezi (2008), Li et al. (2010), Sun (2010), Wang et al. (2011), Zhu et al. (2012), Holm et al . (2012), e Vancovet al. (2012), e também em patentes como as de Carlínet ai. (1998) e MyllymàJçi e Akséla (2008) exploraram as variáveis de temperatura, pressão, percentual de sólidos, tamanho das partículas, grupos funcionais dos cátions e ânions, e também o uso de oo-solventes para avaliar a eficiência do pré— tratamento em termos ., da regeneração da celulose e extração da lignina. Muitos deles também consideram a possibilidade de recuperação e reaproveitamento do liquido ioníco no processo de pré-tratamento. Ainda assim, a alta eficiência de conversão em açúcares obtida no pré-tratamento com os líquidos iónicos próticos que a presente invenção propõe apresenta-se como uma tecnologia promissora, equiparando-se ao pré-tratamento com peróxido de hidrogénio alcalino (pedido de patente PI 0802559-2, Rabelo, S.C., R. Maciel Filho e A.C. Costa) , atualmente considerado um dos melhores processos existentes no grupo de pesquisa.

[9] Embora os Lis ofereçam uma grande flexibilidade em suas propri dades e as possi ilidades de combinaçõ s dos cátions e ânions sejam diversas, a grande variedade e disponibilidade destes compostos torna o estudo sistemático muito difícil. A seleção de um LI apropriado para uma aplicação em particular requer, portanto, a compreensão de propriedades fundamentais: destes materiais, como a estabilidade, densidade, miscifoilidade, viscosidade e polaridade, em uma ampla gama de temperatura e pressão {Hupseet. ai., 2 ' 01O) . Muitos destes materiais demonstraram- se capazes de dissolver biomateriais , tais como lignina e lignoceluloses (For et al. r 2006; Kilpeláinenet al. , 2007), e o precipitado da celulose pode ser dissolvido separado de lignina e hemiceluloses pela adição de co-solventes, tais como a água (Fort et al.., 2006) .

[10] Atualraente, existem vários tipos : diferentes de Lis que podem ser empregados na dissolução da celulos (Barthel e Heinze, 2006) , e embora a maioria das pesquisas disponibilizadas na literatura aberta, com aplicações em extração e síntese, estejam relacionados ao uso de líquidos iónicos apróticos, estudos mais recentes já exploram também o uso de solventes de natureza prótíca (formado por adição de Hf) , especialmente devido à sua capacidade de estabelecer fartes ligações de hidrogénio (Christe e Drake, 2010; Gammons, 2014) .

[11] Os estudos com Lis têm demonstrado que sua aplicação na solubilí zação da celulose cristalina e no posterior aumento das taxas de sacarificação é bastante eficaz. Eles interferem nas interações entre as ligações de hidrogénio 1 e as fibras de celulose, formando novas- ligações entre o solvente e a celulose,, bem como perturbara as interaçoes entre as ligações de lignina e polissacarídeos . Como consequência, o aglomerado de interacções não covalentes entre os polímeros de biomassa de celulose, hemi celuloses e lignina é efetivamente interrompido, devido à diminuição da densidade de seu empacotamento ou inchaço da. estrutura, expondo as frações d : celulose e he íceluloses . Ao mesmo tempo, os Lis também demonstram minimizar a formação: de produtos de degradação, con.form.e descrito por Reichertet ai. (2001), Igarashíet al. (2007), Zhaoet ai. (2009), Lee et ai. (2009), Sunet ai. (2009) e Jalfouena (2009).

[12] Apesar dos inúmeros estudos, os líquidos iónicos apróticos são extramamente caros. Já os líquidos iónicos próticos podem ser produzidos e purificados em laboratório; assim, a partir do conhecimento de sua estrutura e de suas propriedades pode ser possível desenvolver materiais que seja ajustáveis às condições de dissolução da celulose e, portanto,; com grande potencial de pré-tratamento de bíomassas iignocelulósícas , permitindo a produção de energia sustentável (desempenho ambiental e económico) . O grande diferencial dos líquidos iónicos próticos consiste em sua predisposição de estabelecer fortes ligações de hidrogénio, e é justamente a funcionalidade da natureza móvel do Hf destes materiais que os torna candidatos em potencial para diversas outras aplicações.

[13] Como o tamanho das cadeias dos Lis influencia em sua capacidade de formar ligações de hidrogénio:, foram testados ácidos e bases de cadeias longas e curtas, de modo a realiza uma combinação que levou á síntese de 4 diferentes líquidos iónicos, compostos por cátions ânions de tamanhos pequenos, médios e grandes, para avaliar as interações desses ânions com os átomos de hidrogénio e associações dos cátions com outros átomos de menor impedimento estérico, observando- se assim, o líquido iônico com melhor capacidade de dissolução da celulose. Fora testadas também diferentes temperaturas para verificar a influência deste parâmetro sobre a solubilidade da celulose e diferentes co.-solven.tes para regeneração dos componentes obtidos da biomassa.

ESTADO PA TÉCHICA

[14] O artigo de Azevedo Rocha et ai, intitulado "Use of Pxotic loníc Liquids as Bromass Pr treatment for Ldgnocellulosic Ethanol Productíon" , publicado em CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS , descreve o LI 2-HS2AÂ, um dos que estão no presente: pedido de patente, porém não sendo o que obteve melhor resultado (o melhor foi o 2ΉΕΑΑ) . Percebe-se que não houve reutilização do LI neste estudo. 0 fato do rendimento mãssíco do pré-tratamento ser alto (84%) mostra que houve baixa sociabilização do material iignocelulósico, levando a uma baixa conversão em glicose na hidrólise (35%) . De maneira contrária, na presente invenção há reutilização do LI. O rendimento mássico do pré-tratamento de 53%, mostrou alta solubilízação da biomassa. A conversão em glicose na hidrólise alta (70%), correspondente a 0,5 g de. glícose/g bagaço pré-t at do, resultado melhor do que o pré-tratamento com peróxido d hidrogénio alcalino (conversão de 65%, 0,428 g glicose/g bagaço pré-tratado) , que tem sido o melhor pré- tratamento no grupo de pesquisa.

[15] A tese de doutorado de Richard John Gammons, intitulada Optimísíng the Pre-treatment Effects of Protlc Ionic Liquide on Llgnoceliulosie Materials diz respeito à avaliação do pré-tratamento de -árias biomassas, incluído bagaço de cana, com o líquido iônioo prôtico DEÃ Cl (diethanolammoniumchloride): e tempo de pré-tratarnento a 100°C com esta biomassa, avaliação dá ação do IL em temperaturas entre 50 e 150°C e descreve o processo de produção de DEA. CL. Entretanto, o documento mostra conversão na hidrólise de miscant us de 85 nmol de aç car/mg de material, página 137, sem especificar os açúcares. Admitindo que sejam na maioria glicose, temos; Dados: 1 mo! - 1Q0000000 nmol 1 mg; = 0,001 g Massa molar da glicose - 180, 15588 g/mol. Ou seja, a conversão em glicose foi de 0,02 g glicose/g de material, extremamente baixa. Para bagaço de cana mostra conversão de 45 nmol/mg material (pág 124), o que corresponde a conversão ainda mais baixa de 0,008 g açúcares /g bagaço. Na presente invenção, a conversão em glicose encontra-se na faixa de 70%, numa proporção de 0,5 g de glícose/g de bagaço pré-tratado.

[16] O documento 02Q14143657 refere-se a um método de tratamento de biomassa com lignocelulose com pré-tratamento com líquidos iónicos e processo hidrotérraico da lignina. O processo inclui incubação da biomassa com líquido iónicoy lavagem, da biomassa, separação da lignina, celulose e : hemiceluloses e utilização destes produtos para químicos (lignina) e produção de polissacarídeos (celulose e hemicelulose) . Embora o- referido documento mencione que a estrutura dos LI' s pode ser formada a partir da combinação de diferentes cátions e ânions {incluindo aminas, que são a base cte nosso estudo), todos os líquidos iónicos cujas nomenclaturas foram especificadas ao longo dessa invenção possuem bases de natureza aprótica, a partir de amidas e piridina. Este entendimento é reforçado também pela referência acima em nome de Richard John Gaiftmons, que diferencia a natureza prótica e aprótica da estrutura dos cátions dos LI. Além disso, não apresenta conclusões sobre eficiência destes pré-tratamentos e rendimentos da conversão em glicose, dando ênfas somente á descrição das etapas apresentadas no fluxograma . Na presente invenção, a estrutura dos líquidos iónicos estudados apresentam cátions e ânions de natureza prótica, cuja produção é mais simples e barata.

[17] O documento WO2013192572 descreve um método de tratamento de biomassa com LI e aquecimento eletromagnéticc . Todos os Lis são apróticos. Embora tal documento demonstre estudos com alta carga de sólidos (> 30 % w/w) , não apresentou resultados comprovando que o aumento desta carga não afetou o rendimento do pré- ratamento ou diminuiu a eficiência de conversão de glicose durante a hidrólise. À exemplo 1 do documento WO2014143657, todos os líquidos iónicos cujas nomenclaturas foram: especificadas ao longo dessa invenção possuem bases de natureza aprótica, a partir de amidas e piridina. Apesar de apresentar excelentes resultados de conversão em glicose, os melhores resultados foram obtidos quando a dissolução do material em líquido iônico foi associada a outras técnicas com infravermelho, o que pode agregar custo ao processo para sua aplicação. As biomassas estudadas foram pinho e : palha de trigo e existem diferenças significati as sobre o efeito do mesmo tipo de pré-trataiaento em diferentes biomassas, devido ao tipo de fibra, composição, etc, e, assim, os altos rendimentos na conversão de glicose não podem ser usados como referência para comparação com o bagaço: de cana-de-açúcar . Esta afirmação também é reforçada pela própria explicação dada na presente invenção, em que é esclarecido que o efeito do liquido iônico também está relacionado à natureza da celulose, nativa e, assim, a eficiência do pré-tratamento será influenciada pelos diferentes tipos de biomassas pré- tratadas. Mos casos onde o pré-tratamento com LI e biomassa foi aplicado juntamente com a adição de ácido ou base, embora o: referido documento sugira a opção de reaproveitamento do LI, não existe análise estrutural (FT-IR, RMN) alguma que comprove que o ácido não altero a estrutura do liquido iônico, afetando sua eficiência ao ser reutilizado.

[18] De maneira diferente, o presente pedido é voltado para o pré-tratamento de biomassa lignocelulósica, principalmente de bagaço de cana-de-açúcar, apôs processamento na indústria. A invenção descrita apr sentou étimos- rendimentos de pré-tratamento e alta eficiência de conversão de glicose (70%) sem a necessidade de associar técnicas de aquecimento por ultra-sorn, radiofrequência e infravermelho, como também não: exige a necessidade adicionar uma etapa de acidólise ao processo, fatores que agrega custo ao processo, limitando sua aplicação. Além dos presentes Lis sere mais baratos, serem de produção mais fácil e estabelecerem uma ótima relação de custo-beneficio do processo de pré-tratamento, a opção po Lis próticos solúveis em água em substituição aos solventes voláteis resultam em. um processo cora reduzida utilização de produtos tóxicos e minimiza a geração de resíduos e subutilização de recursos.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [19] A presente invenção baseia-se no pré-tratamento de biomassa lígnocelulósica , preferencialmente do bagaço de cana-de-açúcar a partir de líquidos iónicos próticos, visando à obtenção de açúcares,: ia hidrólise enzimática, ara produção de etanol ou outros produtos potenciais oriundos de processos de fermentação,

[20] O processo consiste na mistura do material lignoeelulósíco com um liquido iônico prôtico composto de cátíons e ânions, na ausência substancial de água, de modo a formar uma mistura que, posteriormente, é agitada e aquecida até a dissolução estar completa.

[21] Os líquidos iónicos próticos são sintetizados a partir da reação á.cído-base de Brõns ted-Lcwry ; os ácidos e bases utilizados são ambos orgânicos e de. natureza prótiea, com cadeias longas e curtas. Foram utilizados os líquidos iónicos acetato de 2-aminoetanoI (2-AEAA), acetato de 2, 2 '- iminodí tanol (2, 2" -IE2.AA) , hexanoato de 2- aminoetanel (2- AEAH) , e hexanoato de 2, 2 ' -iminodíetanol (2, 2' -IE2AH) .

[22] O precipitado da celulose pode ser dissolvido e separado da lignina e hemiceluloses utilizando-se água como co-solvente . Os açúcares fermentescíveis obtidos por hidrólise enzimática do bagaço pré~tratado podem, ser empregados na produção de etanol de segunda geração ou na produção de outros produtos. A lignina extraída foi decantada e avaliada em termos de calor de combustão para uso como fonte de energia.

[2.3] O 2HEAA foi o liquido ' iônico com maior poder de dissolução da lignoceluíose, apresentando um. rendimento mássic de pré-tratamento de 53% e, portanto, uma alta solubilização da biomassa. Foi obtida uma elevada conversão em glicose na hidrólise (70%), correspondente- a 0,S g de glicose/g bagaço pré- ratado,, resultado melhor do que o pré- tratamento com peróxido de hidrogénio alcalino (conversão de 65%, 0,428 g glicose/g bagaço pré-tratado) , que tem sido o .melhor pré-tratamento no grupo de pesquisa. O LI 2HEAA foi posteriormente regenerado e reutilizado no processo, ao longo de 4 outros sucessivos pré-tratamentos , sob as mesmas condições de operação da condição ótíraa obtida, e continuou a apresentar significativos resultados em temos de pré- tratamento e rendimentos d hidrólise.

BREVE DESCRIÇÃO D¾S PXGUR&S

[24 J As FIGs . IA á 1D representam gráficos da análise de decomposição térmica dos LI, era que a FIG. IA mostra a decomposição térmica do 2-AEAA; a FIG. 1B mostra a decomposição térmica do 2,2'-lE2AA; a FIG. 1C mostra a decomposição térmica do 2-AEAH e a FIG. 1D mostra a decomposição térmica do 2, 2' IE2AH;

[25] A FIG. 2 mostra o fluxograma do processo de pré- tratamento de biomassa lignocelulósica e recuperação do liquido íõníco utilizando água como co-solvente;

[26] A FIG. 3 mostra um gráfico da conversão de glicose (g/L) do bagaço da cana de açúcar in natura e pré-tratado durante hidrólise enzimática;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA TTí FWOÃn

[271 A presente invenção refere-se a um processo de pré- tratamento de biomassa lignocelulósica, preferencialmente do bagaço de cana~de~açúcar, a partir de líquidos iónicos próticos, visando à obtenção de açúcares, via hidrólise enzimática, para produção de etanol ou outros produtos oriundos de processos de fermentação. 0 referido processo de pré- tratamento compreende as seguintes etapas:

a) Moagem penei ramento da biomassa;

b) Adição da biomassa obtida em (a) ao liquido iónico prótico;

c} Lavagem e regeneração da celulose

d) Filtragem da celulose precipitada na solução (c) ; e) Obtenção de solução de celulose;

f j Centrifugação dos : líquidos iónicos removidos da etapa (d) ;

g) Lavagem com aquecimento e agitação da lignina decantada na etapa (f )

h) Recuperação dos líquidos iónicos obtidos da etapa

(f) ; e

i) -Reutilização dos líquidos ónicos obtidos em (h) . tapa (a) :

[28] Esta etapa é opcional. Q bagaço foi submetido a um processo inicial de moagem, seguido por peneiraçâo, de forma a obter partículas menores que 5 mm e facilitar a interação do solvente com a bioiriassa. O bagaço foi empregado no processo com uma umida.de máxima de 7%, havendo a compensação de seu peso para base seca. A composição média da fibra do bagaço apresentou valores compreendidos nas faixas de 38 - 40·%· (celulose) ; (26-29% (hemiceluloses) e 22 - .24% (lignina) .

Etapa (b) :

[29] Foram utilizados os líquidos iónicos acetato deaoetat© de 2-am.inoetanol (2-AEAA) , acetato de 2,2'- imínodietanol ( 2 , 2 ' -IS2AA) , hexanoato de. 2- amino.eta.nol (2- AEAH ) , e hexanoato de 2 , 2 ' -imínodietanoi (2, V -IE2.AH) . Estes líquidos iónicos práticos, altamente viscosos à temperatura ambiente, foram produzidos a partir da reação ácido-ba.se de Brõnsted, sendo utilizada uma razão de equivalência molar (7:7) de ácidos e bases orgânicos de natureza prótica: ácido acético glacial (60,05 g/mol, 99,$%., Sigm -Aldrich) , ácido hexanóíco (116,16 g/mol, 98%, Sigraa-Aldrich) , 2-Aminoetanol (61,08 g/mol, 99%, Si-çfma-Aldrich) , e 2, 2 ' -Imínodietanol (105.14 g/mol, 39%, Sigma-Aldrich) .

[30] A biomassa com a adição de cada liquido iônico (separadamente) , entre 1 e 15% de sólidos, preferencialmente 5 % (w/w,- com no máximo 16 gramas de biomassa pré-tratada, pesadas em base seca, com teor de umidade entre 5,5 e 7%), foi colocada em um balão de 1000 ml.

[31] As condições de pré-tratamento foram de 2 a 5 horas, preferencialmente 3,5 horas de reação; nas temperaturas; de 75 até 2Q0°C, preferencialmente 150 °C : agitação entre 100 e 200 rpm, preferencialmente 150 rpm; pressão de 600 a 800 bar preferencialmente 733 bar. As diferentes temperaturas foram testadas para avaliar a influência deste parâmetro sobre a solubilidade da celulose e o intervalo de variação da temperatura foi estabelecido após análise de TGA para estudar a decomposição térmica dos líquidos iónicos práticos sintetizados, conforme observado nas FIGs . IA è 1D, Com base nesses dados de degradação térmica e que um dos pontos importantes do trabalho é a reutilização do LI, é considerado como aceitável uma perda mássica de até 15% : de LI decorrente do aquecimento. Conforme o gráfico de decomposição térmica (FIGs . IA à ID) , a perda mássica aumenta vigorosamente a temperaturas acima de 15 °C para 2,2' -IE2AA e 2-AEAH; 180°C para 2,2'--IS2AH; e em torno de 200 °C para 2-AEAA. Etapa Çe) :

[ 32] Após o período de incubação (3,5 horas), a solução foi filtrada e utilizou~s um co-solvente para a lavagem e regeneração da celulose, mediante agitação vigorosa, por 1 hora. Mão foram observadas diferenças na regeneração dos componentes da biomassa quando se utilizou água, acetona ou etanol, optando-se por fim pelo uso da água destilada em substituição aos solventes voláteis, evitando uso de substancias que causam poluição ao meio ambiente, tornando o processo verde.

Etapa (d) :

[33 ] A celulose precipitada foi filtrada, sob pressão reduzida, realizando- . se novas lavagens com água destilada para remoção dos traços de LI e lignina remanescentes. Posteriormente, essa celulose regenerada do bagaço foi lavada com água abundante para uso posterior ao pré- tratamento, preferencialmente produção de etanol, conforme pode ser observado na FIG.2.

Etapa (e) :

[34] A celulose regenerada, filtrada a vácuo, apresentou um teor de umídade na faixa de 70 - 85%; e posteriormente a solução foi submetida à hidrólise enzimática, que foi realizada com 1 a 10% de sólidos, pref rencialmente 5% de sólidos (w/w, pesados em base seca e com o volume de solução tampão corrigido em função da umídade da celulose regenerada) , entre 150 e 200 rpm, pref rencialmente 150 rpm, com uma. carga enzimática de 15 FPU/g de biomassa seca para a enzima celulase e 25 CBU/g de biomassa seca para a enzima β-giicosídase , durante 72 horas. A mistura hidrolisada teve aliquotas de 2 mL coletadas nos entre 100 e 110 °C, preferencialmente a 105 °C, por até 48 horas. O liquido iônieo, após regeneração da celulose e extração da LI, foi novamente purificado e reaproveitado no processo, comp.arando-.se a eficiência de pré-tratamento e de conversão de glicose ao longo dos sucessivos recicles.

[38] A síntese foi considerada concluída quando o índice de refração do LI formado não apresentou variação, o que foi alcançado ao longo de 24 horas de agitação após a mistura total dos reagentes ter ocorrido. O LI foi considerado purificado somente quando o seu teor de água foi inferior a 1%.

Análise dos prodratos

[39] A lignina recuperada foi analisada em termos de capacidade calorífica, agregando valor em termos de viabilidade energética e, consequentemente, dando aporte científico à competitividade do etanol do bagaço de cana. frente ao etanol oriundo do milho, por exemplo. Os Lis, os componentes fracíonados do pré-tratamento e produtos da hidrólise enzimática foram avaliados também através das técnicas de R N, FT-IR, MEV è GA-

[40] Todas as análises foram feitas em duplicata. Embora os açúcares fernientscíveis obtidos na presente invenção tenham sido empregados no estudo da produção de etanol de segunda geração através da hidrólise enzimática, diversas outras aplicações industriais também poderá ser viabilizadas pelo fracionamento dos componentes da bioraassa lignoceluiósica após o seu pré-trataraento com o líquido iônieo prótico, como a produção de lubrificantes, resinas, polímeros e solventes, entre outros.

[41] 0 líquido iônieo que apresentou maior poder de dissolução da celulose foi o 2AEAA, cujo pré-tratamento apresentou um rendimento mássíco de 53%, mostrando alta s luiilização da biomassa. Foi obtida uma elevada conversão em glicose na hidrólise (70%;, correspondente a 0,5 g de glicose/g bagaço pré-tratado, resultado melhor do que o pré- tratamento: com peróxido de hidrogénio alcalino (conversão de 65%, 0,428 g glicose/g bagaço pré-tratado), que tem sido o melhor prê-tratamento no grupo de pesquisa. 0 LI 2HEAA foi posteriormente regenerado e reutilizado no processo, ao longo de 4 outros sucessivos p é-tratamentos, sob as mesmas condições de operação da condição ótima obtida, e. continuou a apresentar significativos resultados em temos de pré- tratamento e rendimentos de hidrólise.

Exemplos

[42] Foram estudados ácidos e bases de cadeias longas e curtas a partir dos quais foram produzidos 4 diferentes tipos líquidos iónicos próticos, compostos por cátions e ânions de diferentes tamanhos, de modo que fosse possível identificar o solvente iônico com melhor capacidade de dissolução da celulose.: Os líquidos iónicos foram formados pelos ânions acetato e hexanoato e pelos cátions a base de amina : acetato de 2-aminoetanol (2-AEAA) , acetato de 2,2'- iminodi tanol (2, 2' -IE2AA) , hexanoato de 2— aminoetanol (2- AEAH) , e hexanoato de 2, 2 ' -iminodietanol ( 2., 2' -ΪΈ2ΑΗ) . Foram testadas também diferentes temperaturas para verificar a influência deste parâmetro sobre a solubilidade da celulose. As temperaturas foram estabelecidas após análise de decomposição térmica dos líquidos iónicos produzidos.

[43] Diferentes co-solventes foram testados para análise de eficiência e condições de operacionais, na ten.tat.iva de estabelecer uma relação de custo-benefício. Não foram observadas diferenças na regeneração dos componentes da biomassa quando se utilizou água, acetona ou etanol, optando-se por fim pelo uso da água destilada em substituição aos solventes voláteis. Uma vez que a água foi utilizada como co-so.1vente, a lignina foi extraída por centrifugação, substituindo-se o processo de regeneração deste componente que normalmente envolve destilação e evaporação quando os solventes voláteis são empregados.

[44] O LI que apresentou melhor rendimento e maior conversão de glicose foi posteriormente regenerado e reutilizado no processo, ao longo de outros 4 sucessivos pré-tratamentos ,. sob as mesmas condições de operação da condição ótima obtida. 0 ponto otimo encontrado para o pré- tratamento do bagaço feito com líquidos iónicos próticos foi obtido com o material acetato de 2-arainoetanol, 2--AEAA., nas seguintes condições operacionais::

Pré-tratamento : 5% de sólidos (w/w, com 16 g de biomassa em base seca, teor de umidade de 6,0%), 150 °C, entre 150 e : 200 rpm, preferencialmente 150 rpm, 733 bar e 3, 5 horas .

Hidrólise: foi realizada com 1 a 10% d sólidos, preferencialmente 5% de sólidos (w/w, com 7 gramas de biomassa pré-tratada, pesadas em base seca, com teor de. umidade entre 70 e 85: %., em média 73%, que foi compensado no volume da solução: tampão), agitação entre 150 e 200 rpm, preferencialmente 150 rpm, e temperatura de 50 °C, com carga enzimática de 15 FPÚ/g de biomassa seca para a enzima ceiula.se e 2.5 CBO/g de biomassa seca para a enzima β- glicosidase, durante 72 horas. [45] As respostas das análises de caracterização do material pré-tratado assim como as análises do hidrolisado oriundos dos processos que utilizaram LI foram comparadas entre si e também com as respostas dás análises do mesmo bagaço nas seguintes condições: in natura, ou seja, sem pré- tratamento; submetido ao pré-tratamento hidrotérmico, considerado de baixa eficiência; e pré-tratado com peróxido de hidrogénio alcalino, considerado o melhor pré-tratamento do grupo de pesquisa, conforme observado na FTG:. 3.

[46] Entre os LI, a capacidade de conversão em glicose íg/ll foi obtida na seguinte ordem: 2HEAA > .2HEAC > 2HE2AA > 2HE2AC, independente da temperatura utilizada.

[47] Entre o bagaço in natura e os bagaços pré-tratados , a capacidade de conversão era glicose (g/1) foi obtida na seguinte ordem; 2HEAA 150 °C> Η 2 Ό 2 (peróxido de hidrogénio alcalino) > 2HEÂA 125 °C> Hidrotérmico 2HEAA 100 °C> 2BEAA 75 °C> In natura.

[48] Era conclusão, O ponto ©timo encontrado para o pré- tratamento do bagaço feito com líquidos iónicos prótieos foi obtido cora o material acetato de 2-aminoetanol, 2HEAA, produzido com ácido acético glacial e 2-aminoetanol. 0 pré- tratamento foi desenvolvido na temperatura de 150 °C, entre 150 e 200 r m, : preferencialmente 150 rpm, 733 bar, 1 a 10% de sólidos, preferencialmente 5% d sólidos, durante 2 a 5 horas, preferencialmente 3,5 horas e utilizou-se preferencialmente água como co-sc-lvente. Sob tais condições, a sacarificação enzimática do material pré-tratatado- com este líquido iônico mostrou um excelente rendimento e alta conversão de glicose quando comparado aos pré-tratamentos com peróxido de hidrogénio alcalino e hidrotérmico, utilizados no grupo de pesquisa. Este resultado reforça o entendimento de que. Lis com cadeias mais curtas interferem de forma mais eficiente nas ínterações entre as ligações de hidrogénio e as fibras de celulose, formando novas ligações entre o solvente e a celulose, bem como perturbam as interações entre as ligações de lignina e polissacarídeos .