BRPI0709137A2 - Biomass Fuel Synthesis Methods for Increased Energy Efficiency - Google Patents
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Abstract
MéTODOS DE SìNTESE DE COMBUSTìVEL DE BIOMASSA PARA EFICIêNCIA DE ENERGIA AUMENTADA. A presente invenção refere-se a um método de alta eficiência para sintetizar combustíveis de biomassa alavancando o impacto sinérgico de líquidos iónicos sobre tanto os aumentos significativos em pré-tratamento de biomassa quanto a utilização da combinação de líquidos iónicos e diáxido de carbono sob condições supercríticas para geração de energia. O uso estratégico de trocadores de calor, preferencialmente trocadores de calor de microcanais e reatores de microcanais adicionalmente aumentam a eficiência e a performance do sistema por extensiva recuperação de calor e a utilização direta da solução de biomassa como o fluido de trabalho de um ciclo termodinâmico.BIOMASS FUEL SYNTHESIS METHODS FOR ENHANCED ENERGY EFFICIENCY. The present invention relates to a high-efficiency method for synthesizing biomass fuels by leveraging the synergistic impact of ionic liquids on both the significant increases in biomass pretreatment and the use of the combination of ionic liquids and carbon dioxide under supercritical conditions for power generation. The strategic use of heat exchangers, preferably microchannel heat exchangers and microchannel reactors additionally increases the efficiency and performance of the system through extensive heat recovery and the direct use of the biomass solution as the working fluid of a thermodynamic cycle.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOSDE SÍNTESE DE COMBUSTÍVEL DE BIOMASSA PARA EFICIÊNCIA DEENERGIA AUMENTADA".Report of the Invention Patent for "BIOMASS FUEL SYNTHESIS METHODS FOR INCREASED ENERGY EFFICIENCY".
Campo da InvençãoField of the Invention
A presente invenção refere-se à síntese de combustíveis de bi-omassa utilizando fluidos supercríticos e líquidos iônicos e uma série de mé-todos de processos supercríticos que possibilitam conversão de alta eficiên-cia de energia e transformação para combustíveis alternativos incluindo bio-combustíveis.The present invention relates to the synthesis of biofuel fuels using supercritical fluids and ionic liquids and a series of supercritical methods that enable high energy efficiency conversion and transformation to alternative fuels including biofuels.
AntecedentesBackground
Etanol de celulose requer métodos de pré-tratamento mais a-vançados porque os componentes de carbono do açúcar - celulose e hemi-celulose - são muito mais difíceis de hidrolisar economicamente em açúca-res fermentáveis. Depois da celulose e a hemicelulose terem sido sacarifica-das, o restante do processo de produção de etanol é similar ao etanol decereais. A hidrólise (sacarificação) decompõe as ligações de hidrogênio nasfrações de hemicelulose e celulose em seus componentes de açúcar: pento-ses e hexoses. Estes açúcares podem ser então fermentados em etanol.Cellulose ethanol requires more advanced pretreatment methods because the carbon components of sugar - cellulose and hemi-cellulose - are much more difficult to economically hydrolyze into fermentable sugars. After cellulose and hemicellulose have been saccharified, the remainder of the ethanol production process is similar to decereal ethanol. Hydrolysis (saccharification) decomposes the hydrogen bonds in the hemicellulose and cellulose fractions in their sugar components: pentose and hexoses. These sugars can then be fermented in ethanol.
Líquidos iônicos "IL" podem afetar a dissolução de celuloses deuma variedade de fontes incluindo plantas, fibroína da seda, e lã sem degra-dação dos solutos. No caso da celulose, o mecanismo de solvação é propos-to para envolver a interação dos íons cloreto de IL1 os quais são não-hidratados e estão em uma concentração de aproximadamente 20% em pe-so."IL" ionic liquids can affect the dissolution of celluloses from a variety of sources including plants, silk fibroin, and non-degrading solute wool. In the case of cellulose, the solvation mechanism is intended to involve the interaction of IL1 chloride ions which are unhydrated and are in a concentration of approximately 20% by weight.
Estudos de 13C RMN de alta resolução de celulose e oligômerosde celulose dissolvidos no líquido iônico (IL) cloreto de 1 -butil-3-metilimidazólio ([C4mim]CI) mostram que os oligômeros de glicose b-(1A4)-encadeada são desordenados neste meio e têm um comportamento confor-macional o qual é paralelo ao observado em água, e portanto, revelam que opolímero é desordenado em solução de IL também.High resolution 13C NMR studies of cellulose and cellulose oligomers dissolved in ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([C4my] CI) show that b- (1A4) -chain glucose oligomers are disordered in this medium and have a conformational behavior which is parallel to that observed in water, and therefore, reveal that the polymer is disordered in IL solution as well.
Os íons de cloreto presentes em soluções de [C4mim]CI, osquais são não-hidratados e estão em uma concentração de aproximada-mente 20% em peso, rompem de modo eficaz a extensiva rede de ligaçãohidrogênio do polissacarídeo interagindo com seus grupamentos oxidrila,deste modo promovendo dissolução da celulose sem degradação aparentedas ligações glicosídicas. De modo a melhor entender como [C4mim]CI afetaa dissolução da celulose, o comportamento conformacional do polissacarí-deo na solvatação por este IL precisa ser investigado.The chloride ions present in [C4min] CI solutions, which are unhydrated and at a concentration of approximately 20% by weight, effectively disrupt the extensive polysaccharide hydrogen bonding network interacting with their oxyhydryl clusters. promoting cellulose dissolution without degradation by glycosidic bonds. In order to better understand how [C4min] CI affects cellulose dissolution, the conformational behavior of polysaccharide in solvation by this IL needs to be investigated.
ILs são capazes de dissolver carboidratos variando de simplesaçúcares até polissacarídeos. Alguns dos melhores resultados a este respei-to têm sido obtidos com [C4mim]CI. Conforme mostrado recentemente, osíons de cloreto não hidratados presentes em soluções destes IL solvatamcarboidratos formando ligações de hidrogênio com seus grupamentos oxidri-la. Por exemplo, soluções de celulose em concentrações de até 25% empeso podem ser obtidas com [C4mim]CI.ILs are capable of dissolving carbohydrates ranging from simple sugars to polysaccharides. Some of the best results in this regard have been obtained with [C4min] CI. As recently shown, the unhydrated chloride ions present in solutions of these IL solvate carbohydrates forming hydrogen bonds with their clusters oxidize it. For example, cellulose solutions at concentrations up to 25% by weight may be obtained with [C4 me] CI.
Líquidos iônicos incluindo cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio("Ionic Iiquids as green solvents: Engineering new bio-based materiais? deRichard P. Swatloski1 John D. Holbrey, Scott K. Spear, e Robin D. Rogers,Department of Chemistry and Center for Green Manufacturing, The Univer-sity of Alabama1 Tuscaloosa, AL 35487); "Use of ionic Iiquids in the study offruit ripening by high-resolution CRMN spectroscopy: 'green' solvents meetgreen bananal de Diego A. Fort et al. recebido (em Columbia, MO, EUA) 23de outubro de 2005, primeiro publicado como um Artigo Adiantado na webem 19 de janeiro de 2006 em que polpas de banana em qualquer estágio deamadurecimento podem ser completamente dissolvidas em sistemas solven-tes à base de do líquido iônico cloreto de (IL) 1-n-butil-3-metilimidazólio([C4mim]CI).Ionic liquids including 1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ("Ionic Iiquids as green solvents: Engineering new bio-based materials") by Richard P. Swatloski John D. Holbrey, Scott K. Spear, and Robin D. Rogers, Department of Chemistry and Center for Green Manufacturing, The University of Alabama1 Tuscaloosa, AL 35487); "Use of ionic Iiquids in the study offruit ripening by high-resolution CRMN spectroscopy: Diego A. Fort et al. received (in Columbia, MO, USA) October 23, 2005, first published as an Early Web Article on January 19, 2006 in which banana pulps at any ripening stage can be completely dissolved in liquid-based soluble systems. (IL) 1- n -butyl-3-methylimidazolium chloride ([C 4 -min] CI).
Jose Iborra da Universidade de Murcia na Espanha e outros usa-ram adicionalmente uma combinação de dióxido de carbono supercrítico elíquidos iônicos para ajudar um enzima a transformar algumas moléculasorgânicas. Infelizmente, enzimas tipicamente não trabalham bem em dióxidode carbono. Portanto o grupo de Iborra projetou um reator bifásico no qualas matérias-primas orgânicas são dissolvidas em dióxido de carbono super-crítico e passadas através de uma câmara contendo uma enzima de Ievedu-ra dissolvida em um líquido iônico.Jose Iborra of the University of Murcia in Spain and others additionally used a combination of supercritical ionic carbon dioxide to help an enzyme transform some organic molecules. Unfortunately, enzymes typically do not work well on carbon dioxide. Therefore the Iborra group designed a biphasic reactor in which these organic raw materials are dissolved in supercritical carbon dioxide and passed through a chamber containing an Ievedura enzyme dissolved in an ionic liquid.
Existe uma ampla gama de processos de pré-tratamento incluin-do os seguintes:There is a wide range of pre-treatment processes including the following:
A Patente dos Estados Unidos N9 6.267.309 para "Municipal so-lid waste processing facility and commercial ethanol production procesé' pa-ra Chieffalo1 et al. utiliza ácido sulfúrico concentrado como um meio para so-Iubilizar a celulose dentro de uma etapa de pré-tratamento.United States Patent No. 6,267,309 to "Municipal Soil Waste Processing Facility and Commercial Ethanol Production Process" Chieffalo1 et al. Uses concentrated sulfuric acid as a means to soil cellulose within a pre-stage. -treatment.
A Patente dos Estados Unidos N9 5.135.861 para "Method forproducing ethanol from biomasé' para Pavilon utiliza uma mistura de bio-massa e água que subseqüentemente produz dióxido de carbono "C02" co-mo um subproduto. O subproduto dióxido de carbono do produto de fermen-tação inicial subseqüentemente ajuda a conversão da biomassa por hidrólisecatalítica. A patente N9 5.135.861 além disso limita a pressão operacionalbem abaixo da pressão supercrítica de C02.United States Patent No. 5,135,861 to "Method for producing ethanol from biomass" for Pavilon utilizes a mixture of biomass and water which subsequently produces carbon dioxide "CO2" as a byproduct. The carbon dioxide byproduct of the product The initial fermentation process subsequently assists the conversion of biomass by catalytic hydrolysis Patent No. 5,135,861 further limits the operating pressure well below the supercritical CO2 pressure.
O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920020164731 para "Process for the simultaneous production of xylitol andethanol' para Eroma, Olli-Pekka et al. utiliza processos de pré-tratamentotradicionais para hidrolisados de biomassa selecionados entre o grupo con-sistindo em hidrólise ácida direta da referida biomassa, pré-hidrolisado enzi-mático obtido por pré-hidrólise da referida biomassa com vapor ou ácidoacético, hidrólise ácida de pré-hidrolisado obtido por pré-hidrólise da referidabiomassa com vapor ou ácido acético, autohidrólise usando água ou vapor,e um processo de polpação de sulfito.United States Patent Application No. 920020164731 for "Process for the simultaneous production of xylitol and ethanol" for Eroma, Olli-Pekka et al. Uses traditional pretreatment processes for biomass hydrolysates selected from the group consisting of direct acid hydrolysis of said biomass, enzymatic prehydrolysate obtained by prehydrolysis of said steam or acetic acid biomass, acid hydrolysis of prehydrolysate obtained by prehydrolysis of said steam or acetic acid biomass, self hydrolysis using water or steam, and a process of sulfite pulping.
A Patente dos Estados Unidos N9 5.711.817 para "Method forthe continuous conversion of cellulosic material to sugai" para Titmas utilizagravidade como um meio para aumentar a pressão do fluxo de líquido dematerial celulósico (a./c.a. pasta semifluida de biomassa) de modo a aumen-tar a eficiência termodinâmica.United States Patent No. 5,711,817 to "Method forthe continuous conversion of cellulosic material to sugai" for Titmas uses gravity as a means to increase the flow pressure of cellulosic liquid material (a./ca semifluid biomass pulp) to increase thermodynamic efficiency.
O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920050069998 para "Procedure for the production of ethanol from Iignocellu-losic biomass using a new heat-tolerant yeasf para Ballesteros Perdices,Ignacio et al. utiliza pré-tratamento por explosão de vapor tradicional em coma combinação de celulase (CELLUCLAST 1.5L, da NOVO-NORDISK) e be-ta.glucosidase (NOVOZYME 188 da NOVO-NORDISK) e cultura da leveduratermo-tolerante Kluyveromyces marxianus CECT 10875.United States Patent Application No. 920050069998 for "Procedure for the production of ethanol from Iignocellu-losic biomass using a new heat-tolerant yeasf for Ballesteros Perdices, Ignacio et al. Utilizes traditional vapor blast pretreatment in a cellulase combination" (CELLUCLAST 1.5L from NOVO-NORDISK) and be-ta.glucosidase (NOVOZYME 188 from NOVO-NORDISK) and culture of the thermo-tolerant yeast Kluyveromyces marxianus CECT 10875.
A Patente dos Estados Unidos Ne 6.090.595 para "Pretreatmentprocess for conversion of cellulose to fuel ethanot' para Foody1 et al. utilizaum pré-tratamento aprimorado variando a matéria-prima com uma razão dearabinoxilano para total de polissacarídeos não amido (AX/NSP) de mais doque cerca de 0,39, ou uma matéria-prima seletivamente produzida com baseem uma razão aumentada de AX/NSP em relação a um material de matéria-prima de partida, e reagindo em condições que rompem a estrutura das fi-bras e hidrolisam uma porção da celulose e hemicelulose. O pré-tratamentoem toda outra maneira permanece tradicional em que o pré-tratamento érealizado com um dispositivo de explosão de vapor ou extrusão durante aetapa da reação.United States Patent No. 6,090,595 for "Pretreatment process for conversion of cellulose to fuel ethanot" for Foody1 et al. Utilizes improved pretreatment by varying the feedstock with a ratio of aabinoxylan to total non-starch polysaccharides (AX / NSP) more than about 0.39, or a selectively produced feedstock based on an increased ratio of AX / NSP to a starting feedstock material, and reacting under conditions that break the structure of the fibers and hydrolyze a portion of the cellulose and hemicellulose Pretreatment in any other way remains traditional where pretreatment is performed with a steam blast or extrusion device during the reaction stage.
O Requerimento de Patente dos Estados Unidos N920040231661 para "Method of processing Iignocellulosic feedstock forenhanced xylose and ethanol productiorí' para Robert Griffin et al. utilizamúltiplas etapas iniciando com lixiviação de uma matéria-prima lignocelulósi-ca rompida mecanicamente antes de qualquer pré-tratamento da matéria-prima e terminando com reação da referida matéria-prima acidificada sobcondições as quais rompem a estrutura das fibras e hidrolisam uma porçãode hemicelulose e celulose da referida matéria-prima acidificada, para pro-duzir uma composição compreendendo xilose e uma matéria-prima pré-tratada. A reação de matéria-prima acidificada sob condições que rompem aestrutura das fibras é contemplada no método do requerimento Nq20040231661 e pode sr realizada de acordo com qualquer método conheci-do na técnica, por exemplo, mas não limitado a pré-tratamento por explosãode vapor.United States Patent Application No. 920040231661 for "Method of Processing Iignocellulosic Feedstock Forenhanced Xylose and Ethanol Product" for Robert Griffin et al. Utilizes multiple steps starting with leaching of a mechanically disrupted lignocellulosic feedstock prior to any pre-treatment of the material. and terminating with reaction of said acidified feedstock under conditions which disrupt the fiber structure and hydrolyze a portion of hemicellulose and cellulose of said acidified feedstock to produce a composition comprising xylose and a pretreated feedstock. The reaction of acidified raw material under conditions that disrupt the fiber structure is contemplated in the method of application Nq20040231661 and may be carried out according to any method known in the art, for example, but not limited to vapor explosion pretreatment. .
A Patente dos Estados Unidos N9 6.824.599 para uDissolutionand processing of cellulose using ionic liquida para Swatloski et al. utiliza ummétodo para dissolver celulose que compreende misturar celulose com umlíquido iônico fundido que é fundido em uma temperatura de cerca de -10 acerca de 100 graus Celsius e na ausência substancial de água ou uma basecontendo nitrogênio para formar uma mistura. Além disso, a Patente Ne6.824.599 revela um método para dissolver celulose que compreende asetapas de: (a) misturar celulose com um líquido iônico consistindo em cá-tions e ânions na ausência substancial de água para formar uma mistura, emque o referido líquido iônico é fundido em uma temperatura de cerca de -44graus C. a cerca de 120 graus C. em que os referidos cátions contêm umúnico anel de cinco membros que é livre de fusão a outras estruturas do anele os referidos ânions são halogeno, pseudohalogeno, ou C.sub.1 -C.sub.6carboxilato; (b) irradiar a referida mistura com radiação de microondas paraauxiliar na dissolução. As expressões "ausência substancial" e "substancial-mente livre" são usadas de modo sinônimo para indicar que menos de cercade 5 por cento em peso de água está presente, por exemplo. Mais preferen-cialmente, menos de cerca de um por cento de água está presente na com-posição. O mesmo significado é pretendido com relação à presença de umabase contendo nitrogênio. Celulose pode ser dissolvida em derivação emalta concentração em líquidos iônicos aquecendo a cerca de 100 graus C.,aquecendo a cerca de 80 graus C. em um banho ultra-sônico, e de modomais eficaz usando aquecimento por microondas das amostras usando umforno de microondas doméstico. Usando um aquecedor de microondas, épreferencial aquecer a mistura de líquido iônico hidrofílico e celulose até umatemperatura de cerca de 100 graus a cerca de 150 graus C. Aquecimentopor microondas reforça significativamente a dissolução de celulose em líqui-dos iônicos. A dissolução induzida por microondas de celulose em líquidosiônicos é um processo muito rápido de modo que o decaimento do grau depolimerização é reduzida. Sendo um processo relativamente rápido, dissolu-ção é eficiente em termos de energia. O aquecimento das amostras geral-mente é requerido para permitir dissolução. O efeito deste aquecimento po-de ser permitir que líquido iônico solvente penetre na parede da fibra, o quepermite o rompimento da fibra e estrutura de microfibrila e ligação de hidro-gênio competitiva com água encapsulada. Líquidos iônicos são aquecidos demodo muito eficaz sob condições de microondas. Deste modo, podem serobtidas temperaturas altamente localizadas que promovem dissolução decelulose rompendo a forte ligação de hidrogênio mediada por água das ca-deias poliméricas naturais. Foi visto que celulose foi precipitada da soluçãode líquido iônico pela adição de água. Quando o teor de água do líquido iô-nico foi maior do que cerca de 1 por cento em peso (aproximadamente 0,5mol de fração H.sub.2 O), as propriedades solventes foram significativamen-te prejudicadas e foi visto que celulose fibrosa não era mais solúvel.United States Patent No. 6,824,599 to a Processing and Processing of Cellulose Using Liquid Ionic for Swatloski et al. uses a method for dissolving cellulose which comprises mixing cellulose with a molten ionic liquid which is melted at a temperature of about -10 ° C to about 100 degrees Celsius and in the substantial absence of water or a nitrogen-containing base to form a mixture. In addition, Patent No. 6,824,599 discloses a method for dissolving cellulose comprising the steps of: (a) mixing cellulose with an ionic liquid consisting of cations and anions in the substantial absence of water to form a mixture, wherein said ionic liquid is fused at a temperature of about -44 degrees C. to about 120 degrees C. wherein said cations contain a single five-membered ring that is free of fusion to other ring structures said anions are halogen, pseudohalogen, or C .sub.1 -C.sub.6carboxylate; (b) irradiating said mixture with para-auxiliary microwave radiation upon dissolution. The terms "substantial absence" and "substantially free" are used synonymously to indicate that less than about 5 percent by weight of water is present, for example. More preferably, less than about one percent water is present in the composition. The same meaning is intended for the presence of a nitrogen-containing base. Cellulose can be dissolved in high concentration derivation in ionic liquids by heating to about 100 degrees C., heating to about 80 degrees C. in an ultrasonic bath, and effective using microwave heating of samples using a domestic microwave oven . Using a microwave heater, it is preferable to heat the mixture of hydrophilic ionic liquid and cellulose to a temperature of about 100 degrees to about 150 degrees C. Microwave heating significantly strengthens the dissolution of cellulose in ionic liquids. Microwave-induced dissolution of cellulose in ionic liquids is a very rapid process so that the decay of the degree of polymerization is reduced. Being a relatively fast process, dissolution is energy efficient. Heating of samples is generally required to allow dissolution. The effect of this heating may be to allow solvent ionic liquid to penetrate the fiber wall, which allows fiber disruption and microfibril structure and competitive hydrogen bonding with encapsulated water. Ionic liquids are heated very effectively under microwave conditions. Thus, highly localized temperatures can be obtained which promote cellulose dissolution by disrupting the strong water-mediated hydrogen bonding of the natural polymeric chains. It was seen that cellulose was precipitated from the ionic liquid solution by the addition of water. When the water content of the ionic liquid was greater than about 1 weight percent (approximately 0.5mol H.sub.2 O fraction), the solvent properties were significantly impaired and it was seen that fibrous cellulose It was no longer soluble.
A produção de etanol a partir da fermentação de materiais celu-lósicos tais como grãos é de conhecimento geral. O processo não é eficaz,mas é capaz da produção de quantidades muito grandes em um custo bas-tante razoável. O processo tem a vantagem adicional de produzir o produtomundialmente e remeter este para outros mercados conforme necessário.Há duas características importantes do processo: uma é a necessidade decalor. O processo de fermentação requer temperaturas constantes para aatividade biológica de enzimas e microorganismos para realizar a conversão.A segunda característica é a produção de dióxido de carbono (CO.sub.2) apartir da própria fermentação, mas também a partir do uso de combustíveisfósseis para aquecer o processo. A captura do CO.sub.2, também referidonas partes que se seguem como "C02", é esporádica entre os produtores,resultando em uma significativa contribuição global para o conjunto de gásestufa da indústria.Ethanol production from the fermentation of cellulosic materials such as grains is well known. The process is not effective, but is capable of producing very large quantities at a fairly reasonable cost. The process has the added advantage of producing the product worldwide and shipping it to other markets as needed. There are two important features of the process: one is the need for heat. The fermentation process requires constant temperatures for the biological activity of enzymes and microorganisms to perform the conversion. The second feature is the production of carbon dioxide (CO.sub.2) from the fermentation itself, but also from the use of fossil fuels to heat the process. The capture of CO.sub.2, also referred to in the following parts as "CO2", is sporadic among producers, resulting in a significant overall contribution to the industry's greenhouse gas pool.
Os produtos da fermentação são etanol e dióxido de carbono,produzidos em proporção de 1:1 conforme entendido de modo geral por a-queles versados na técnica.Fermentation products are ethanol and carbon dioxide, produced in a 1: 1 ratio as generally understood by those skilled in the art.
A pasta semifluida de biomassa é hidrolisada em um aquecedorde hidrólise de explosão de combustível inflamado. Quando a biomassa éresíduo de frutas, o ácido orgânico no resíduo é usado como o catalisadorde hidrólise. Quando a biomassa não contém ácido orgânico, dióxido de car-bono produzido em um fermentador é introduzido no aquecedor de hidrólisecomo ácido carbônico para proporcionar o catalisador.The semi-fluid biomass slurry is hydrolyzed in an ignited fuel explosion hydrolysis heater. When biomass is fruit residue, the organic acid in the residue is used as the catalyst for hydrolysis. When biomass does not contain organic acid, carbon dioxide produced in a fermenter is introduced into the hydrolysis heater as carbonic acid to provide the catalyst.
Também é amplamente conhecido na técnica que catalisadoresaceleram uma ampla gama de reações químicas. Os catalisadores referidosincluem catalisadores de ácido diluído conforme selecionado entre o grupoconsistindo em H.sub.2 SO.sub.4, HCI, HNO.sub.3, SO.sub.2 ou qualquerácido forte o qual produz valores de pH abaixo de cerca de 3, e catalisado-res de sais de metal conforme selecionado entre o grupo consistindo em sul-fato ferroso, sulfato férrico, cloreto férrico, sulfato de alumínio, cloreto de a-lumínio, e sulfato de magnésio, Ni/Co, Rh/Ce0.sub.2/M, onde M representaSiO.sub.2, Al.sub.20.sub.3 ou ZrO.sub.2, catalisadores de Ni sobre suportesde zeólitos (o uso de zeólitos como suportes inibiu a formação de alcatrãomas promoveu a deposição de carbono).It is also widely known in the art that catalysts accelerate a wide range of chemical reactions. Said catalysts include dilute acid catalysts as selected from the group consisting of H.sub.2 SO.sub.4, HCI, HNO.sub.3, SO.sub.2 or any strong acid which produces pH values below about 3, and metal salt catalysts as selected from the group consisting of ferrous sulphate, ferric sulfate, ferric chloride, aluminum sulfate, a-luminium chloride, and magnesium sulfate, Ni / Co, Rh / Ce0 .sub.2 / M, where M represents SiO.sub.2, Al.sub.20.sub.3 or ZrO.sub.2, Ni catalysts on zeolite supports (the use of zeolites as supports inhibited tar formation but promoted carbon deposition).
Pré-tratamento - Desde 1919, quando Beckmann patenteou umpré-tratamento alcalino baseado em impregnação com hidróxido de sódio, oqual aumentou a digestibilidade de palha, foram desenvolvidos muitos pré-tratamentos para materiais lignocelulósicos. Dos pré-tratamentos testados,os processos hidrotérmicos parecem estar entre os mais eficazes para me-Ihorar a acessibilidade destes materiais. Um exemplo destes processos hi-drotérmicos é descrito na patente espanhola da Shell International ResearchES87/6829, a qual usa vapor em uma temperatura de 200 a 250 graus Cel-sius em uma reator selado hermeticamente para tratae biomassa previamen-te triturada.Pretreatment - Since 1919, when Beckmann patented an alkaline pretreatment based on sodium hydroxide impregnation, which increased straw digestibility, many pretreatments for lignocellulosic materials have been developed. Of the pretreatments tested, hydrothermal processes appear to be among the most effective in improving the accessibility of these materials. An example of such hydrothermal processes is described in the Spanish Patent of Shell International Research ES87 / 6829, which uses steam at a temperature of 200 to 250 degrees Celsius in a hermetically sealed reactor to treat previously crushed biomass.
Tratamento de explosão de vapor descontínuo foi patenteadoem 1929 por Mason (Patente dos Estados Unidos Ne 1.655.618) para a pro-dução de painéis de madeira, e combina um tratamento térmico com vapor ea desorganização mecânica de fibra lignocelulósica. Neste processo, as las-cas de madeira são tratadas com vapor em uma pressão de 3,5 MPa oumaior, em um cilindro de aço vertical. Uma vez que o tratamento seja com-pletado, o material é violentamente descarregado da base do cilindro. Esteprocesso combina os efeitos sobre o material lignocelulósico de altas pres-sões e temperaturas junto com a descompressão final e súbita. No processode explosão de vapor descontínuo desenvolvido pela IOTECH Corporation,conhecido como "hidrólise por cintilação", a madeira é triturada para um pe-queno tamanho de partícula e submetida a temperaturas e pressões próxi-mas a 230 graus Celsius e 3,5 MPa (500 psi), e uma vez que estas condi-ções são atingidas, subitamente é descarregada do reator.Discontinuous steam explosion treatment was patented in 1929 by Mason (United States Patent No. 1,655,618) for the production of wood panels, and combines a steam heat treatment and mechanical disorganization of lignocellulosic fiber. In this process, the wood chips are steam treated at a pressure of 3.5 MPa or greater in a vertical steel cylinder. Once the treatment is completed, the material is violently discharged from the cylinder base. This process combines the effects on lignocellulosic material of high pressures and temperatures along with sudden and final decompression. In the discontinuous vapor explosion process developed by IOTECH Corporation, known as "scintillation hydrolysis", the wood is shredded to a small particle size and subjected to temperatures and pressures close to 230 degrees Celsius and 3.5 MPa ( 500 psi), and once these conditions are met, it is suddenly discharged from the reactor.
Glicose pode servir ou como uma matéria-prima para conversãobioquímica (isto é, fermentação) para produtos de maior valor tais como ál-cool ou ácidos orgânicos, ou pode ser convertida quimicamente (usandoprocessos catalíticos) para produtos tais como ácido levulínico, sorbitol, eoutros polióis ou glicóis.Glucose may serve either as a feedstock for biochemical conversion (i.e. fermentation) to higher value products such as alcohol or organic acids, or it may be chemically converted (using catalytic processes) to products such as levulinic acid, sorbitol, and others. polyols or glycols.
Os pesquisadores já desenvolveram catalisadores aprimoradosque permitem conversão de açúcares de custo eficaz que não são recupera-dos durante o processamento de alimento em químicos importantes denomi-nados polióis. Cerca de quatro milhões de toneladas de polióis são vendidosa cada ano nos Estados Unidos, essencialmente usados em produtos comoanticongelante, fibras de poliéster, cosméticos e plásticos. Polióis podem serproduzidos a partir de açúcares à base de plantas de modo muito mais efi-caz em termos de energia e de custo eficaz do que a partir de petróleo, queé como são produzidos atualmente.Researchers have already developed improved catalysts that allow for cost-effective sugar conversion that is not recovered during food processing into important chemicals called polyols. About four million tons of polyols are sold each year in the United States, primarily used in products such as antifreeze, polyester fibers, cosmetics and plastics. Polyols can be produced from plant-based sugars much more energy-efficient and cost-effectively than from petroleum, which is as they are currently produced.
Todas as formas de biomassa têm os mesmos componentesprincipais -- celulose, hemicelulose, e lignina. Celulose é a maior fração (40a 50%), hemicelulose vem em seguida (20 a 30%) e lignina é geralmente 15a 20% da biomassa. A celulose é composta de polímeros lineares do açúcarde seis carbonos glicose encadeado por 1,4 ligações glicosídicas. Hemicelu-lose é um complexo de essencialmente açúcares de cinco carbonos, cujamaioria são xilose e arabinose. Lignina é um material heterogêneo poliméri-co complexo composto de anéis benzeno substituídos variadamente.All forms of biomass have the same major components - cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose is the largest fraction (40 to 50%), hemicellulose comes next (20 to 30%) and lignin is usually 15 to 20% of biomass. Cellulose is made up of linear six-carbon glucose sugar polymers chained by 1.4 glycosidic bonds. Hemicelu-lose is a complex of essentially five-carbon sugars, most of which are xylose and arabinose. Lignin is a complex polymeric heterogeneous material composed of variously substituted benzene rings.
Eletricidade também é um co-produto da produção de etanol ge-rado na taxa de 2,28 kWh por galão de etanol ou 68.692 MJ de eletricidadepor hora. O valor da energia para etanol e o co-produto eletricidade é cercade 6 χ 1011 MJ/ano.Electricity is also a co-product of ethanol production generated at the rate of 2.28 kWh per gallon of ethanol or 68,692 MJ of electricity per hour. The energy value for ethanol and the electricity co-product is about 6 χ 1011 MJ / year.
O processo de conversão de palha de trigo gera tanto etanolquanto eletricidade e requer uma quantidade pequena de energia não reno-vável para produção de matéria-prima, transporte, conversão, distribuição eliberação para o usuário final. Devido à produção de eletricidade, o processode conversão de fato produz um fluxo negativo de uso de energia não reno-vável de -0,109 MJ por milha dirigida para E100 comparado com 5,84 MJ deenergia não renovável por milha para gasolina.The wheat straw conversion process generates both ethanol and electricity and requires a small amount of nonrenewable energy for raw material production, transportation, conversion, distribution and deliberation for the end user. Due to electricity production, the conversion process actually produces a negative flow of non-renewable energy use of -0.109 MJ per mile directed to E100 compared to 5.84 MJ non-renewable energy per mile for gasoline.
É amplamente de conhecimento na técnica que ácidos ajudamna solubilização de celulose incluindo ácido sulfúrico.It is widely known in the art that acids assist in the solubilization of cellulose including sulfuric acid.
Também é amplamente de conhecimento na técnica que enzi-mas devem ser estabilizadas, especialmente quando utilizadas em fluidossupercríticos. Enzimas típicas incluem CALB imobilizadas (Novozyme), con-forme mencionado no ensaio intitulado uSingIe-Enzyme Nanoparticles Armo-red by a Nanometer-Scale Organic/lnorganic Network' por Jungbae Kim etal. do Pacific Northwest National Laboratory, 902 Battelle BIVd., P.O. Box999, Richland1 Washington 99352; onde enzimas incluem celulase (CELLU-CLAST 1.5L, da NOVO-NORDISK), e a enzima .beta.-glucosidase é NO-VOZYME 188 (NOVO-NORDISK). !mobilização pode adicionalmente aumen-tar a estabilidade enzimática incluindo a utilização de carregadores selecio-nados entre o grupo consistindo em sílicas, zeólitos, aluminas e caulins.It is also widely known in the art that enzymes should be stabilized, especially when used in supercritical fluids. Typical enzymes include immobilized CALB (Novozyme), as mentioned in the essay entitled uSingIe-Enzyme Nanoparticles Armo-red by a Nanometer-Scale Organic / Organic Network 'by Jungbae Kim etal. Pacific Northwest National Laboratory, 902 Battelle BIVd., P.O. Box999, Richland1 Washington 99352; where enzymes include cellulase (CELLU-CLAST 1.5L from NOVO-NORDISK), and the enzyme .beta.-glucosidase is NO-VOZYME 188 (NOVO-NORDISK). Mobilization may further enhance enzymatic stability including the use of carriers selected from the group consisting of silicas, zeolites, alumines and kaolins.
Também é amplamente de conhecimento na técnica que a utili-zação de enzimas resistentes a alta temperatura (por exemplo, leveduratermotolerante Kluyveromyces marxianus CECT 10875) reforçam a produti-vidade e a economia da síntese de combustível.It is also widely known in the art that the use of high temperature resistant enzymes (e.g., Kluyveromyces marxianus CECT 10875 yeast thermo-tolerant) enhances the productivity and economy of fuel synthesis.
Também é amplamente de conhecimento na técnica que técniasde separação incluem filtração reconhecida como microfiltração, ultrafiltra-ção, e nanofiltração.It is also widely known in the art that separation techniques include recognized filtration such as microfiltration, ultrafiltration, and nanofiltration.
Também é amplamente de conhecimento na técnica que com-bustíveis alternativos também incluem a produção de metitetraidrofurano apartir do ácido levulínico, combustível de celulignina catalítica (Patente dosEstados Unidos Nq 6.855.180 para "Catalytic cellulignin fuel" para Pinatti, etal.) incluindo furfural e ácido levulínico de lignocelulose.It is also widely known in the art that alternative fuels also include the production of methytetrahydrofuran from levulinic acid, catalytic cellulignin fuel (United States Patent No. 6,855,180 for "Catalytic cellulignin fuel" for Pinatti, etal.) Including furfural and lignocellulose levulinic acid.
Também é de conhecimento geral na técnica que o "Develop-ment of the Batch-Type and Flow-Type Supercritical Fluid Biomass Conver-sion Systemé' por D. Kusdiana1 E. Minami, K. Ehara, e S. Saka do KyotoUniversity International Symposium On Post-Petrofuels in the 21 st CenturyProspects in the Future of Biomass Energy, Sep. 3-4, 2002, Montreal, Que-bec, Canadá, pp.276-279 comprovou que a celulose foi hidrolisada na águasupercrítica para glicose em um tempo extremamente curto.It is also well known in the art that the "Develop-ment of the Batch-Type and Flow-Type Supercritical Fluid Biomass Conversion System" by D. Kusdiana1 E. Minami, K. Ehara, and S. Saka of KyotoUniversity International Symposium On Post-Petrofuels in the 21st CenturyProspects in the Future of Biomass Energy, Sep. 3-4, 2002, Montreal, Que-bec, Canada, pp.276-279 proved that cellulose was hydrolyzed in glucose supercritical water at a time. Extremely short.
Também é de conhecimento geral na técnica que "Production ofLiquid Alkanes by Aqueous-Phase Processing of Biomass-Derived Carbohy-c/rates" por George W. Huber, Juben N. Chheda, Christopher J. Barrett1 eJames A. Dumesic1 do Department of Chemical and Biological Engineering1University of Wisconsin at Madison1 Madison1 Wl 53706, EUA comprovouque alcanos líquidos são do peso molecular apropriado a ser usado comocomponentes de combustível de transporte, e contêm 90% da energia dasalimentações de carboidrato e de H2. Portanto, houve muito mais interesseem processos que convertem de modo eficaz alcanos em alquenos.It is also well known in the art that "Production of Liquid Alkanes by Aqueous-Phase Processing of Biomass-Derived Carbohy-c / rates" by George W. Huber, Juben N. Chheda, Christopher J. Barrett1 and James A. Dumesic1 of the Department of Chemical and Biological Engineering1University of Wisconsin at Madison1 Madison1 Wl 53706, USA has proven that liquid alkanes are of the appropriate molecular weight to be used as transport fuel components, and contain 90% of the energy of carbohydrate and H2 feeds. Therefore, there was much more interest in processes that effectively convert alkanes to alkenes.
Também é de conhecimento na técnica que tem sido usada fo-toirradiação para ativar vários complexos metálicos.It is also known in the art that photoradiation has been used to activate various metal complexes.
Referências adicionais incluem as seguintes:Additional references include the following:
"High combustion activity of methane induced by reforming gasover NÍ/AI203 catalysts" por Baitao Li, Ritsuko Watanabe, Kenji Maruyama,Mohammad Nurunnabi, Kimio Kunimori1 e Keiichi Tomishige1 publicado noAppl. Catai. A: General, 290, 36-45 (2005)."High combustion activity of methane induced by reforming gasover NI / AI203 catalysts" by Baitao Li, Ritsuko Watanabe, Kenji Maruyama, Mohammad Nurunnabi, Kimio Kunimori1 and Keiichi Tomishige1 published in Apppl. Catai. A: General, 290, 36-45 (2005).
"Catalytic performance and properties of Ceria based catalystsfor cyclic carbonate synthesis from glycol and carbon dioxide" por KeiichiTomishige1 Hiroaki Yasuda, Yuichi Yoshida, Mohammad Nurunnabi, BaitaoLi1 e Kimio Kunimori1 publicado no Green Chem., 6, 206-214 (2004)."Catalytic performance and properties of Ceria based catalysts for cyclic carbonate synthesis from glycol and carbon dioxide" by KeiichiTomishige1 Hiroaki Yasuda, Yuichi Yoshida, Mohammad Nurunnabi, BaitaoLi1 and Kimio Kunimori1 published in Green Chem., 6, 206-214 (2004).
"Selective formation of ethylene carbonate from ethylene glycoland carbon dioxide over Ce02-Zr02 solid solution catalysté' por Keiichi To-mishige, Hiroaki Yasuda1 Mohammad Nurunnabi, Baitao Li1 e Kimio Kunimo-ri, publicado no Stud. Surf. Sei. Catai., 153, 165-168 (2004)."Selective formation of ethylene carbonate from ethylene glycoland carbon dioxide over Ce02-Zr02 solid solution catalyst 'by Keiichi To-mishige, Hiroaki Yasuda1 Mohammad Nurunnabi, Baitao Li1 and Kimio Kunimo-ri, published in Stud. Surf. Sei. Catai., 153 , 165-168 (2004).
"Modeling of carbon-catalyzed gasification of organic feedstocksin supercritical water for energy conversionf' em http://www.dieter-ulber.de/BacheIorThesis; Dartmouth College (1997)."Modeling of carbon-catalyzed gasification of organic feedstocks in supercritical water for energy conversion" at http://www.dieter-ulber.de/BacheIorThesis; Dartmouth College (1997).
Experimentos de gaseificação de biomassa em água supercríticaproduziu um ciclo de força usando biomassa a úmido como um combustível,na qual o processo utiliza biomassa (22% em peso em água) bombeada até25 MPa em um extrusor-alimentador e aquecida até 600°C em um gaseifica-dor. Aí é quase completamente gaseificado em um gás de valor de aqueci-mento médio (15 MJ/kg) depois de cerca de 30 segundos de duração dapermanência. O catalisador aplicado pode ser diferentes tipos de carbono oucarvão ativado. A eficiência deste gaseificador supercrítico integrado a bio-massa/ciclo combinado (BISG/CC) é calculada para ser de 42%.Biomass gasification experiments in supercritical water produced a force cycle using wet biomass as a fuel, in which the process uses biomass (22 wt% in water) pumped to 25 MPa in a feed extruder and heated to 600 ° C in a gasifying pain. There it is almost completely gasified to a medium heating value gas (15 MJ / kg) after about 30 seconds of permanence. The catalyst applied may be different types of carbon or activated carbon. The efficiency of this combined biomass / combined cycle supercritical gasifier (BISG / CC) is estimated to be 42%.
"Direct synthesis of organic carbonates from the reaction of C02with methanol and ethanol over Ce02 catalysté' por Yuichi Yoshida, YokoArai, Shigeru Kado, Kimio Kunimori, e Keiichi Tomishige, publicado no Catai.Today, no prelo.'Direct synthesis of organic carbonates from the reaction of CO2 with methanol and ethanol over CO2 catalyst' by Yuichi Yoshida, YokoArai, Shigeru Kado, Kimio Kunimori, and Keiichi Tomishige, published in Catai.Today, forthcoming.
O uso de dióxido de carbono como um material de partida para asíntese de compostos orgânicos tem sido há muito tempo uma meta para osquímicos. A hidrogenação de dióxido de carbono para ácido fórmico, meta-nol e outras substâncias orgânicas é particularmente atraente, mas tempermanecido difícil. É conhecida na técnica uma produção eficaz de ácidofórmico em uma mistura supercrítica de dióxido de carbono e hidrogêniocontendo um complexo de fosfina de rutênio catalítico.The use of carbon dioxide as a starting material for the synthesis of organic compounds has long been a goal for chemists. Hydrogenation of carbon dioxide to formic acid, meta-nol and other organic substances is particularly attractive but difficult to maintain. Effective production of formic acid in a supercritical mixture of carbon dioxide and hydrogen containing a catalytic ruthenium phosphine complex is known in the art.
Também é de conhecimento na técnica, como na Patente dosEstados Unidos N9 6.875.456, proteínas hidrolisadas por hidrólise enzimáticade uma variedade de fontes são usadas amplamente na indústria de alimen-tos, especificamente como um meio para proporcionar aromatizantes. Paraliberar tantos aminoácidos quanto possível, a via enzimática emprega mistu-ras complexas de várias endo- e exoproteases.It is also known in the art, as in United States Patent No. 6,875,456, proteins hydrolyzed by enzymatic hydrolysis from a variety of sources are widely used in the food industry, specifically as a means for providing flavorings. To paralyze as many amino acids as possible, the enzymatic pathway employs complex mixtures of various endo- and exoproteases.
A Patente dos Estados Unidos N9 6.509.180 e O Requerimentode Patente dos Estados Unidos N9 2003/0077771, para "Process for produ-cing ethanof' para Verser, et al. produz etanol com um acetato, ácido acéticoou misturas dos mesmos como um produto de conversão intermediário se-guido pela hidrólise enzimática de açúcares e aminoácidos antes de fermen-tação. A patente N9 6.509.180 revela a conversão de aminoácidos, nova-mente somente como um produto de conversão intermediário em proteínacelular única bacteriana.United States Patent No. 6,509,180 and United States Patent Application No. 2003/0077771, for "Process for Producing Ethanof" for Verser, et al. Produces ethanol with an acetate, acetic acid or mixtures thereof as a product. of intermediate conversion followed by enzymatic hydrolysis of sugars and amino acids prior to fermentation Patent No. 6,509,180 discloses amino acid conversion, again only as a bacterial single protein-intermediate intermediate conversion product.
É adicionalmente conhecido que digestão enzimática assistidapor microondas é realizada conforme representado em um ensaio intitulado"Protein Preparation and Enzymatic Digestion in Proteomic^' por Wei Sun etal. Outro exemplo é representado em outro ensaio intitulado "Microwave-Assisted Hydrothermal Degradation of Silk Protein to Amino Acidé' por Ar-mando T. Quitain et al. at Research Institute for Solvothermal Technology,2217-43 Hayashi1 Takamatsu, Kagawa 761-0301, Japão, e Department ofEcological Engineering, Toyohashi University of Technology, Tempaku,Toyohashi 441-8580, Japão.It is further known that microwave assisted enzymatic digestion is performed as represented in an assay entitled "Protein Preparation and Enzymatic Digestion in Proteomic" by Wei Sun et al. Another example is represented in another assay entitled "Microwave-Assisted Hydrothermal Degradation of Silk Protein to Amino" Acidé by Armando T. Quitain et al. at Research Institute for Solvothermal Technology, 2217-43 Hayashi Takamatsu, Kagawa 761-0301, Japan, and Department of Ecological Engineering, Toyohashi University of Technology, Tempaku, Toyohashi 441-8580, Japan.
Também é de conhecimento na técnica no ensaio intitulado"Effect of carbonate solvents on the conductivity and viscosity behaviour ofionic Iiquid', por Boor Singh Lalia et al. Department of Applied Physics,G.N.D. University, Amritsar-143005, índia, e Polymer Electrolyte Fuel CellResearch Department, Korea Institute of Energy Research, 305-343, Daeje-on, Coréia, que o efeito da adição de solventes de carbonato, tais como car-bonato de propileno (PC) e dimetil carbonato (DMC) em um líquido iônicoresulta em uma redução na viscosidade do líquido iônico junto com um au-mento na condutividade por mais de uma ordem de magnitude.It is also known in the art in the essay entitled "Effect of carbonate solvents on conductivity and viscosity behavior of ionic acid" by Boor Singh Lalia et al. Department of Applied Physics, GND University, Amritsar-143005, India, and Polymer Electrolyte Fuel Cell Research Department, Korea Institute of Energy Research, 305-343, Daeje-on, Korea, that the effect of the addition of carbonate solvents such as propylene carbonate (PC) and dimethyl carbonate (DMC) in an ionic liquid results in a reduction in ionic liquid viscosity along with an increase in conductivity by more than one order of magnitude.
Também é de conhecimento na técnica que líquidos iônicos ten-do a presença de água precipita celulose da solução. A presença de água nolíquido iônico reduz significativamente a solubilidade de celulose, presumi-velmente através de ligação de hidrogênio competitiva às microfibrilas decelulose a qual inibe solubilização. Celulose pode ser precipitada da soluçãode IL pela adição de água, ou outras soluções precipitantes incluindo etanole acetona. A Patente dos Estados Unidos Nq 5.846.393 para "Electrochemi-cally-aided biodigestion oforganic materials" para Clarke et al. também reve-la que a presença de água no líquido iônico reduz significativamente a solu-bilidade da celulose. Nesta concepção, um ensaio intitulado "A new categoryof Iiquid salt-liquid ionic phosphates (LlPsJ' por Robert Engel et al. observaque, diferentemente de líquidos iônicos portando tetrafluoroborato de ânionsde tetracloroaluminato, os LIPs são não reativos para água. Além disso, osLIPs portando simples ânions fosfato são solúveis em água, diferentementede seus sais de hexafluorofosfato correspondentes.Também é de conhecimento na técnica que um processo fotoca-talítico particularmente em combinação com íons fotossensibilizantes inclu-indo íons fotossensibilizantes selecionados entre o grupo obtido deTiO.sub.2, ZnO, zinco, ou WO.sub.3 leva a reações oxidativas reforçadas.É adicionalmente de conhecimento na técnica que oxido de titânio absorveraios UV tendo um comprimento de onda de cerca de 400 nm ou menos,para deste modo excitar elétrons dos mesmos. Quando os elétrons e furosresultantes atingem as superfícies de partículas de oxido de titânio, os elé-trons e furos são combinados com oxigênio ou água, deste modo gerandovários radicais. Os radicais resultantes exercem um efeito oxidante para des-te modo oxidar e decompor substâncias adsorvidas sobre as superfícies daspartículas. Além disso, Ti02 preparado sob calcinação a 200°C apresentouelevada atividade fotocatalítica para degradação de NOx sob tanto ilumina-ção de luz ultravioleta (UV) quanto de luz visível. Também é de conhecimen-to na técnica que cobre sobre suporte de titânia tem um papel crucial parapromover a redução de C02.It is also known in the art that ionic liquids having the presence of water precipitate cellulose from the solution. The presence of ionic noliquid water significantly reduces cellulose solubility, presumably through competitive hydrogen binding to cellulose microfibrils which inhibits solubilization. Cellulose may be precipitated from the IL solution by the addition of water, or other precipitating solutions including ethanole acetone. United States Patent No. 5,846,393 to "Electrochemically-aided biodigestion of organic materials" to Clarke et al. It should also be noted that the presence of water in the ionic liquid significantly reduces the solubility of cellulose. In this view, an essay entitled 'A new category of Iiquid salt-liquid ionic phosphates (LlPsJ' by Robert Engel et al. Notes that, unlike ionic liquids carrying tetrachloroaluminate anion tetrafluoroborate, LIPs are non-reactive to water. Simple phosphate anions are water soluble, unlike their corresponding hexafluorophosphate salts. It is also known in the art that a photokalitic process particularly in combination with photosensitizing ions including photosensitizing ions selected from the group obtained from TiO.sub.2, ZnO , zinc, or WO.sub.3 leads to enhanced oxidative reactions.It is further known in the art that titanium oxide absorbs UV having a wavelength of about 400 nm or less to thereby excite electrons thereof. resulting electrons and holes hit the surfaces of titanium oxide particles, the electrons s and holes are combined with oxygen or water, thus generating several radicals. The resulting radicals exert an oxidizing effect to thereby oxidize and decompose adsorbed substances on the surfaces of the particles. In addition, Ti02 prepared under calcination at 200 ° C exhibited high photocatalytic activity for NOx degradation under both ultraviolet (UV) and visible light illumination. It is also well known in the art to cover titania support to play a crucial role in promoting CO2 reduction.
Outro caso reconhecendo o potencial de oxidação fotocatalíticaem um ensaio intitulado "Aqueous Photocatalytic Oxidation of Lignin andHumic Aeids with Supported Ti02' por Elina Portjanskaja et al. no Depart-ment of Chemical Engineering, Tallinn University of Technology, Ehitajate tee5, Tallinn 19086, Estônia, e Department of Chemical Technology, Lappeen-ranta University of Technology, P.O. Box 20, 53851 Lappeenranta, Finlândia,onde a adição de íons Fe2+, até 0,05 mM, a uma solução de Iignina leva aum aumento dramático, cerca de 25%, na eficiência fotocatalítica.Another case recognizing the potential for photocatalytic oxidation in an essay entitled "Aqueous Photocatalytic Oxidation of Lignin and Humic Aeids with Supported Ti02" by Elina Portjanskaja et al., Department of Chemical Engineering, Tallinn University of Technology, Ehitajate tee5, Tallinn 19086, Estonia, and Department of Chemical Technology, Lappeenranta University of Technology, PO Box 20, 53851 Lappeenranta, Finland, where the addition of Fe2 + ions up to 0.05 mM to an Iignin solution leads to a dramatic increase, about 25%, on photocatalytic efficiency.
Também é de conhecimento conforme observado em estudos debioalvejante que o uso de ácido violúrico é um mediador eficaz para deligifi-cação catalisada por Iacase de polpas de kraft. Ácido violúrico(2,4,5,6(1 H,3H)-pirimidina-tetrona 5-oxima, VOH) é freqüentemente empre-gado como um reagente analítico para separação cromatográfica e para oxi-dação de cátion. Também é amplamente usado em técnicas de branquea-mento de polpa porque o processo não é muito sensível a variações de tem-peratura e pH. VOH também pode ser usado como um mediador eficaz detransferência de elétrons em processos de oxidação permitindo o aumentoda taxa global de transferência de elétrons. Na oxidação eletroquímica omediador ácido violúrico forma um radical com uma vida da ordem de váriasdezenas de minutos o qual oxida a lignina. A qualidade da polpa delignifica-da é notável devido à seletividade muito elevada do radical ácido violúrico naoxidação de lignina sobre celulose.It is also known as observed in bio-bleaching studies that the use of violuric acid is an effective mediator for Iacase-catalyzed deligification of kraft pulps. Violuric acid (2,4,5,6 (1 H, 3H) -pyrimidine-tetrone 5-oxime, VOH) is often employed as an analytical reagent for chromatographic separation and for cation oxidation. It is also widely used in pulp bleaching techniques because the process is not very sensitive to temperature and pH variations. VOH can also be used as an effective electron transfer mediator in oxidation processes allowing for increased overall electron transfer rate. In the electrochemical oxidation omitting violuric acid forms a radical with a life of the order of several tens of minutes which oxidizes lignin. The quality of the delignified pulp is remarkable due to the very high selectivity of the violuric acid radical in lignin oxidation on cellulose.
Outro método conhecido na técnica é a síntese de metanol apartir de dióxido de carbono com uma eficiência de corrente de cerca 90 pelaeletrólise de solução de dióxido de carbono-tampão de fosfato saturado napresença de formato deidrogenase e metanol deidrogenase como eletrocata-Iisadores e pirroloquinolina quinona como um relê de elétrons.Another method known in the art is the synthesis of methanol from carbon dioxide with a current efficiency of about 90 by electrolysis of saturated phosphate buffer carbon dioxide solution in the presence of dehydrogenase and methanol dehydrogenase formate as electrocatalysts and pyrroloquinoline quinone as an electron relay.
Um link na Internet emhttp://pubs.acs.org/cen/science/83/8340sci1.html7print notes Science & Te-chnology, October 3, 2005, Volume 83, Number 40, pp. 36-39, ACS MeetingNews intitulado uGreen Polymer Field Blossomintf' revela um dióxido de car-bono supercrítico de solvente limpo e um catalisador natural, isto é, uma en-zima, makes unusual copolímeros em bloco. Os compostos consistem empoli(láctico ácido), derivado de amido de milho, enxertado sobre enchimen-tos de nanowhisker celulósicos produzidos por hidrólise ácida de celulose.uOur approach uses reactive groups on the surface of the nanocellulosics toinitiate the polymerization reaction of lactide," segundo Dorgan. O grupo deDorgan mostrou que ecobioanocompostos preparados a partir de poli(lácticoácido) e enchimentos de celulose microcristalina têm maiores temperaturasde transição de vidro.A link on the Internet at http://pubs.acs.org/cen/science/83/8340sci1.html7print notes Science & Techology, October 3, 2005, Volume 83, Number 40, pp. 25-30. 36-39, ACS MeetingNews entitled 'Green Polymer Field Blossom' discloses a clean solvent supercritical carbon dioxide and a natural catalyst, that is, an enzyme, makes unusual block copolymers. The compounds consist of empoli (lactic acid), derived from cornstarch, grafted onto cellulosic nanowhisker fillers produced by acid cellulose hydrolysis.uOur approach uses reactive groups on the surface of the nanocellulosics toinitiate the polymerization reaction of lactide, "according to Dorgan's group showed that eco-compounds composed of poly (lactic acid) and microcrystalline cellulose fillers have higher glass transition temperatures.
Um processo de pré-tratamento conhecido na técnica é descritono ensaio "Pretreatment for Cellulose Hydrolysis by Carbon Dioxide Explosi-ori', por Yizhou Zheng et al. no Laboratory of Renewable Resources Engine-ering, 1295 Potter Engineering Center, Purdue University, West Lafayette,Indiana 47906, Aceito em 21 setembro de 1998. Zheng et al. usa uma Iibera-ção explosiva da pressão de dióxido de carbono para romper a estrutura ce-lulósica como um meio para aumentar a área superficial acessível do subs-trato celulósico a hidrólise enzimática. Os resultados indicaram que dióxidode carbono supercrítico é eficaz para pré-tratamento de celulose. Um au-menta na pressão facilita a penetração mais rápida de moléculas de dióxidode carbono nas estruturas cristalinas, deste modo mais glicose é produzida apartir de materiais celulósicos depois da explosão comparado com aquelessem o pré-tratamento. Este pré-tratamento de explosão aumenta a taxa dehidrólise de material celulósico bem como aumenta a produção de glicosepor tanto quanto 50%.A pre-treatment process known in the art is described in the "Pretreatment for Cellulose Hydrolysis by Carbon Dioxide Explosion-Ori" assay by Yizhou Zheng et al at the Laboratory of Renewable Resources Engineering, 1295 Potter Engineering Center, Purdue University, West Lafayette , Indiana 47906, Accepted September 21, 1998. Zheng et al uses an explosive release of carbon dioxide pressure to disrupt the cellulosic structure as a means to increase the accessible surface area of the cellulosic substrate for hydrolysis. The results indicated that supercritical carbon dioxide is effective for cellulose pretreatment. A rise in pressure facilitates faster penetration of carbon dioxide molecules into crystalline structures, so more glucose is produced from cellulosic materials after compared to aqueless without pretreatment.This explosion pretreatment increases the hydrolysis rate of as well as increases glycosepor production by as much as 50%.
O Requerimento de Patente dos Estados Unidos Ne20060211096 para "Enzyme catalysis in the presence of ionic liquids" paraKragl, Udo et al. revela um método para a conversão de substâncias na pre-sença de enzimas como um catalisador em um meio de reação compreen-dendo no mínimo um líquido iônico, em que a enzima é selecionada entre ogrupo consistindo em oxidorredutases, lipases, galactosidases, glicosidases,Iiases e enzimas na classe EC 6. Conclusivamente demonstraram que apresença de líquidos iônicos aumenta a produção acima de 55% quando seusa Iactose como um doador barato.United States Patent Application No. 20060211096 for "Enzyme catalysis in the presence of ionic liquids" for Kragl, Udo et al. discloses a method for converting substances in the presence of enzymes as a catalyst into a reaction medium comprising at least one ionic liquid, wherein the enzyme is selected from the group consisting of oxidoreductases, lipases, galactosidases, glycosidases, liases and enzymes in class EC 6. Conclusively demonstrated that the presence of ionic liquids increases production by over 55% when its lactose as a cheap donor.
Todas as referências citadas, incluindo literatura de patente enão-patente, são por este incorporadas por meio de referência em suas tota-lidades.All cited references, including patent and non-patent literature, are hereby incorporated by reference in their entirety.
A técnica carece de uma solução de conversão de combustívelThe technique lacks a fuel conversion solution
de biomassa de alta eficiência de energia com as características inerentesadicionais de seqüestração de dióxido de carbono integrando uma bomba decalefação de absorção híbrida de dióxido de carbono supercrítico com ciclotermodinâmico gerador de força integral.of high energy efficiency biomass with the additional inherent characteristics of carbon dioxide sequestration by integrating a supercritical hybrid carbon dioxide absorption heat pump with integral power generator cyclothermodynamic.
Sumáriosummary
É proporcionada uma biomassa para biocombustível como umaplanta independente e ainda adicionalmente integrada com um método deprocesso de planta de biomassa para biodiesel tendo balanço de energiasuperior e co-produtos de valor superior adicionado. O processo preferenci-almente usa uma bomba de calefação de absorção de dióxido de carbonointegrada e ciclo de geração de força que utiliza um absorvente líquido enão-tóxico tal como líquidos iônicos, a partir dos quais o gás dióxido de car-bono é absorvido, que adicionalmente reforça o processo de hidrólise dabiomassa. A incorporação adicional de hidrólise de proteína reforçada com avantagem adicional de retirar o amargor de peptídeos e aminoácidos livresproporciona co-produtos de valor superior adicionado ao invés do subprodu-to de ração animal tradicional.A biofuel biomass is provided as a standalone plant and yet further integrated with a biodiesel biomass plant process method having superior energy balance and added value co-products. The process preferably uses a carbon-integrated dioxide absorption heat pump and power generation cycle which utilizes a non-toxic liquid absorber such as ionic liquids, from which carbon dioxide gas is absorbed, which additionally strengthens the hydrolysis process of the biomass. The additional incorporation of enhanced protein hydrolysis with the added advantage of removing the bitterness of free peptides and amino acids provides added value co-products rather than the traditional animal by-product.
Em uma modalidade, a presente invenção é uma solução híbridade líquido iônico utilizada dentro de dispositivos de transformação por ener-gia térmica. Os dispositivos usam uma solução consistindo em líquidos tôni-cos que é um meio de transporte térmico eficaz.In one embodiment, the present invention is an ionic liquid hybrid solution used within thermal energy transforming devices. The devices use a solution consisting of tonic liquids which is an effective means of thermal transport.
Combinações adicionais de refrigerantes e absorvedores sãoreconhecidas na técnica como tendo miscibilidade parcial. Um aspecto adi-cional da invenção é a obtenção de separação de fases como um função deno mínimo uma função selecionada entre o grupo consistindo em temperatu-ra, pressão, e pH. A solução preferencial inclui adicionalmente a utilizaçãode pequenas variações no pH para variar a solubilidade do refrigerante den-tro do absorvedor. A solução mais preferencial varia temperatura e pressão,em combinação com controle de pH, usando métodos incluindo eletrodiálise.Métodos adicionais para possibilitar separação de fases incluem a aplicaçãode campos eletrostáticos, uma vez que campos eletrostáticos aumentam asolubilidade de fluidos iônicos.Additional combinations of refrigerants and absorbers are known in the art to have partial miscibility. An additional aspect of the invention is to obtain phase separation as a function of at least a function selected from the group consisting of temperature, pressure, and pH. The preferred solution further includes the use of slight variations in pH to vary the solubility of the refrigerant within the absorber. The most preferred solution varies temperature and pressure, in combination with pH control, using methods including electrodialysis. Additional methods to enable phase separation include the application of electrostatic fields, as electrostatic fields increase the solubility of ionic fluids.
Um aspecto da invenção é integrar uma bomba de calefação deabsorção com capacidades de extração de força integral a um processo pa-drão de pré-tratamento da biomassa.One aspect of the invention is to integrate a heat-absorbing heat pump with full force extraction capabilities into a standard biomass pretreatment process.
As figuras representadas dentro do relatório proporcionam confi-gurações exemplares dos componentes mais importantes do sistema deconversão de biomassa. Uma descrição detalhada das figuras é proporcio-nada nos parágrafos seguintes.Breve Descrição dos DesenhosThe figures represented within the report provide exemplary configurations of the most important components of the biomass conversion system. A detailed description of the figures is provided in the following paragraphs. Brief Description of the Drawings
A Figura 1 é uma vista de fluxograma do processo representan-do uma série típica de etapas de processo de pré-tratamento da biomassapara geração de energia.Figure 1 is a flowchart view of the process depicting a typical series of biomass pretreatment process steps for power generation.
A Figura 2 é uma vista de fluxograma do processo representan-do outra série típica de etapas de pré-tratamento de biomassa para injeçãode microcanal de água supercrítica através de seqüestração de dióxido decarbono.Figure 2 is a flowchart view of the process depicting another typical series of biomass pretreatment steps for supercritical water microchannel injection through carbon dioxide sequestration.
A Figura 3 é uma vista de fluxograma do processo representan-do uma série típica de etapas integrando tanto meios térmicos quanto expo-sição fotocatalítica alavancando a energia alternativa solar adicional.Figure 3 is a flowchart view of the process depicting a typical series of steps integrating both thermal media and photocatalytic exposure leveraging additional solar alternative energy.
A Figura 4 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando uma integração típica de sistema de bomba de calefação de absorçãode dióxido de carbono supercrítico com pré-tratamento supercrítico de bio-massa.Figure 4 is a flow chart view of process A depicting a typical integration of supercritical carbon dioxide absorption heat pump system with supercritical biomass pretreatment.
A Figura 5 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando outra integração direta típica de solução binária de dióxido de carbonosupercrítico e pré-tratamento de biomassa de líquidos iônicos.Figure 5 is a flow chart view of process A depicting another typical direct integration of binary supercritical carbon dioxide solution and ionic liquid biomass pretreatment.
A Figura 6 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando a integração direta de uma biomassa para biocombustível com umabiomassa para biodiesel.Figure 6 is a flowchart view of process A depicting the direct integration of a biofuel biomass with a biodiesel biomass.
A Figura 7 é uma vista de fluxograma do processo A represen-tando a integração direta de biomassa a etapa de pré-tratamento de bio-combustível com uma bomba de calefação de absorção tendo capacidadesde geração de força.Figure 7 is a flowchart view of process A depicting direct integration of biomass to the biofuel pretreatment step with an absorption heating pump having power generation capabilities.
A Figura 8 é uma visão geral das entradas (inputs) e saídas(outputs) da biomassa para processo de conversão de biocombustível.Figure 8 is an overview of biomass inputs and outputs for biofuel conversion process.
A Figura 9 é uma vista de fluxograma do processo representan-do um processo de destilação alternativo para desidratação de biocombustí-vel operando o processo de destilação como um ciclo termodinâmico de ge-ração de força Organic Rankine de solução binária.Figure 9 is a flowchart view of the process depicting an alternative distillation process for biofuel dehydration operating the distillation process as a thermodynamic organic Rankine force generation cycle of binary solution.
Descrição Detalhada das Modalidades PreferenciaisDetailed Description of Preferred Modalities
O termo "ciclo termodinâmico" é definido como um processo noqual um fluido de trabalho sofre uma série de mudanças de estado e final-mente retorna para seu estado inicial.The term "thermodynamic cycle" is defined as a process in which a working fluid undergoes a series of state changes and ultimately returns to its initial state.
O termo "energia solar" é definido como energia derivada do sol,o qual mais freqüentemente se refere à conversão direta de fótons irradiadosem elétrons ou fónons através de uma ampla série de meios. A energia solartambém é convertida indiretamente em formas de energia adicional tais co-mo o aquecimento de água freática (a.k.a. água geotérmica).The term "solar energy" is defined as energy derived from the sun, which most often refers to the direct conversion of irradiated photons into electrons or phonons through a wide range of means. Solar energy is also indirectly converted into additional energy forms such as the heating of groundwater (a.k.a. geothermal water).
O termo "líquidos tônicos" "ILs" é definido como líquidos que sãomeios não coordenantes altamente solvatantes nos quais uma variedade desolutos orgânicos e inorgânicos são capazes de dissolver. São solventeseficazes para uma variedade de compostos, e sua falta de uma pressão devapor mensurável os torna um substituto desejável para Compostos Orgâni-cos Voláteis (VOCs). Líquidos iônicos são solventes atraentes uma vez quesão não voláteis, não inflamáveis, têm uma alta estabilidade térmica, e sãorelativamente baratos de fabricar. O ponto chave sobre líquidos iônicos éque são sais líquidos, o que significa que consistem em um sal que existe nafase líquida e devem ser fabricados; não são simplesmente sais dissolvidosem líquido. Geralmente um ou ambos os íons são particularmente grandese o cátion tem um baixo grau de simetria. Estes fatores resultam em líquidosiônicos tendo uma reduzida energia de Iattice e portanto menores pontos defusão.The term "tonic liquids" "ILs" is defined as liquids which are highly solvating non-coordinating means in which a variety of organic and inorganic solubles are capable of dissolving. They are effective solvents for a variety of compounds, and their lack of measurable vapor pressure makes them a desirable substitute for volatile organic compounds (VOCs). Ionic liquids are attractive solvents since they are nonvolatile, nonflammable, have high thermal stability, and are relatively inexpensive to manufacture. The key point about ionic liquids is that they are liquid salts, meaning that they consist of a salt that exists in the liquid phase and must be manufactured; They are not simply salts dissolved in liquid. Generally one or both ions are particularly large and the cation has a low degree of symmetry. These factors result in ionic liquids having reduced Iattice energy and therefore lower melting points.
O termo "tolerante térmico" se refere à propriedade de suportarinativação parcial ou completa por calor e também pode ser descrito comoresistência térmica ou estabilidade térmica.The term "thermal tolerant" refers to the property of withstanding partial or complete heat inactivation and may also be described as thermal resistance or thermal stability.
O termo "trem de pressão" se refere a zonas de pressão inde-pendentes que são alternativamente produzidas pela utilização de dispositi-vos de controle de fluxo. Um dispositivo semelhante é uma válvula de alíviode pressão. A utilização de uma série de válvulas de alívio de pressão, de talmodo que a pressão de craqueamento é ajustada em incrementos aumen-tando a partir da primeira válvula de alívio de pressão até a última com au-mentos incrementais para cada válvula de alívio de pressão, é um modo efi-caz para evitar corrente de retorno e para controlar inerentemente meiospara aumentar o estado de vapor do fluido de trabalho. O agregado das sé-rie de válvulas de alívio de pressão dentro de um trocador de calor é naspartes que se seguem referido como um trocador de calor de "trem de pres-são". Deste modo a válvula de alívio de pressão cria zonas independentesde modo eficaz dentro do trem de pressão. Há numerosos métodos de co-nhecimento na técnica para obter controle de pressão preciso e/ou relativo.The term "pressure train" refers to independent pressure zones that are alternatively produced by the use of flow control devices. A similar device is a pressure relief valve. The use of a series of pressure relief valves, such that the cracking pressure is adjusted in increments from the first pressure relief valve to the last with incremental increases for each pressure relief valve. It is an effective way to prevent return current and inherently control means for increasing the vapor state of the working fluid. The aggregate of the pressure relief valve series within a heat exchanger is in the following parts referred to as a "pressure train" heat exchanger. In this way the pressure relief valve effectively creates independent zones within the pressure train. There are numerous methods known in the art for accurate and / or relative pressure control.
O termo "bombas de calefação" se refere a um dispositivo paraliberar calor ou esfriamento a um sistema, ao passo que um refrigerador éum dispositivo para remover calor de um sistema. Deste modo, um refrigera-dor pode ser considerado um tipo de bomba de calefação. Do início ao fimdo requerimento, será feita referência a um dispositivo de transformação porenergia térmica, nas partes que se seguem referido como "TED" com o en-tendimento de que a designação de refrigerador, condicionador de ar, com-pressor, aquecedor de água, trigeração, e cogeração pode ser substituídasem mudar a operação do dispositivo, especificamente TEDs que utilizamfluidos supercríticos e transcríticos.The term "heat pumps" refers to a device for paralyzing heat or cooling to a system, while a cooler is a device for removing heat from a system. Thus, a cooler can be considered a type of heating pump. From the beginning to the end of the application, reference will be made to a thermal energy transformation device in the following parts referred to as "TED" with the understanding that the designation of refrigerator, air conditioner, compressor, water heater , trigeneration, and cogeneration can be replaced without changing device operation, specifically TEDs that use supercritical and transcritical fluids.
Em bombas de calefação de absorção, um absorvente, tal comoágua, absorve o refrigerante, tipicamente amônia, deste modo gerando calor.Quando a solução combinada é pressurizada e posteriormente aquecida, orefrigerante é expelido, Quando o refrigerante é pré-esfriado e expandidopara uma baixa pressão, proporciona esfriamento. O refrigerante de baixapressão é então combinado com a solução exaurida de baixa pressão paracompletar o ciclo.In absorption heat pumps, an absorber, such as water, absorbs the typically ammonia refrigerant, thereby generating heat. When the combined solution is pressurized and then heated, the refrigerant is expelled. When the refrigerant is pre-cooled and expanded to a low pressure, provides cooling. The low pressure refrigerant is then combined with the low pressure exhaust solution to complete the cycle.
Líquidos e sólidos iônicos são reconhecidos na técnica de sol-ventes ambientalmente amigáveis. Líquidos iônicos "IL" têm muito poucapressão de vapor se não desprezível e preferencialmente são selecionadosentre o grupo consistindo em líquidos iônicos compatíveis com dióxido decarbono supercrítico "scC02". A combinação de scC02 e ILs da invençãotem excelente solubilidade de dióxido de carbono e separação de fases sim-ples devido a sua classificação como combinações de fluidos parcialmentemiscíveis. Fluidos parcialmente miscíveis são tanto miscíveis quanto imiscí-veis em função direta tanto da pressão quanto da temperatura. Um fluidoparcialmente miscível em seu estado imiscível pode ser simplesmente de-cantado para separação de fases, a qual é inerentemente um método deseparação de baixa energia. O comportamento da fase de CO.sub.2 comlíquidos iônicos e como a solubilidade do gás no líquido é influenciado pelaescolha e a estrutura do cátion e o ânion.Ionic liquids and solids are recognized in the environmentally friendly solvent technique. "IL" ionic liquids have very low if not negligible vapor pressure and are preferably selected from the group consisting of "scCO2" supercritical carbon dioxide compatible ionic liquids. The combination of scCO2 and ILs of the invention have excellent carbon dioxide solubility and simple phase separation due to their classification as partially-miscible fluid combinations. Partially miscible fluids are both miscible and immiscible as a function of both pressure and temperature. A partially miscible fluid in its immiscible state can be simply de-selected for phase separation, which is inherently a low energy separation method. The behavior of the CO.sub.2 phase with ionic liquids and how the solubility of gas in the liquid is influenced by the choice and structure of cation and anion.
O termo "electride" é definido como sendo como alkalides excetoque o ânion é presumido como sendo simplesmente um elétron o qual estálocalizado para uma região do cristal entre os cátions combinados em com-plexo.The term "electride" is defined as alkalides except that the anion is assumed to be simply an electron which is located in a region of the crystal between the complexed cations.
O termo "supercrítico" é definido como o ponto no qual fluidostêm sido explorados acima de suas temperaturas e pressões críticas.The term "supercritical" is defined as the point at which fluid has been exploited above its critical temperatures and pressures.
O termo "bomba de calefação" é definido como o transporte deenergia térmica extraída de uma fonte térmica para um sorvedouro de calorpor meios incluindo compressão a vapor, absorção, e adsorção.The term "heat pump" is defined as the transport of thermal energy extracted from a thermal source to a heat sink enclosure including steam compression, absorption, and adsorption.
O termo "aceptor de elétrons" é um composto que recebe ou a-ceita um elétron durante respiração celular. O processo se" inicia com atransferência de um elétron de um doador de elétrons. Durante este proces-so (cadeia de transporte de elétrons), o aceptor de elétrons é reduzido e odoador de elétrons é oxidado. Exemplos de aceptores incluem oxigênio, ni-trato, ferro (III), manganês (IV), sulfato, dióxido de carbono, ou em algunscasos os solventes clorados tais como tetracloroeteno (PCE), tricloroeteno(TCE), dicloroeteno (DCE), e cloreto de vinila (VC).The term "electron acceptor" is a compound that receives or accepts an electron during cellular respiration. The process begins with the transfer of an electron from an electron donor. During this process (electron transport chain), the electron acceptor is reduced and the electron donor is oxidized. Examples of acceptors include oxygen, ni- tract, iron (III), manganese (IV), sulfate, carbon dioxide, or in some cases chlorinated solvents such as tetrachlorethylene (PCE), trichlorethylene (TCE), dichloroethene (DCE), and vinyl chloride (VC).
O termo "misturador de intensificação do processo" é definidocomo a utilização de micromistura, particularmente com fluidos supercríticos,para obter elevada transferência de massa. Fluidos supercríticos incluemgases tais como dióxido de carbono, metano, metanol, amônia, etanol, buta-nol, e hidrogênio. Os dispositivos incluem dispositivos de cavitação hidrodi-nâmica, disco de repuxamento, e tubo de repuxamento dentro de tubo.The term "process enhancing mixer" is defined as the use of micromixing, particularly with supercritical fluids, to achieve high mass transfer. Supercritical fluids include gases such as carbon dioxide, methane, methanol, ammonia, ethanol, butanol, and hydrogen. Devices include hydrodynamic cavitation devices, draw discs, and draw tube inside tube.
O termo "absorção" é amplamente aceito na aplicação de bom-bas de calefação para esfriamento. Absorção, em química, é um fenômenofísico ou químico ou um processo no qual átomos, moléculas, ou íons pene-tram alguma fase de massa - material gasoso, líquido ou sólido. Isto é umprocesso diferente de adsorção, uma vez que as moléculas são apreendidaspelo volume, não por superfície. Um termo mais geral é sorpção o qual cobreadsorção, absorção, e troca tônica.Reforços da Eficiência Pré-tratamentoThe term "absorption" is widely accepted in the application of good heating bases for cooling. Absorption, in chemistry, is a physical or chemical phenomenon or a process in which atoms, molecules, or ions penetrate some phase of mass - gaseous, liquid, or solid material. This is a different process of adsorption, since molecules are seized by volume, not by surface. A more general term is sorption which covers sorption, absorption, and tonic exchange.
A utilização de uma solução de biomassa compreendendo a e-tapa de pré-tratamento de solubilização de solução de biomassa em líquidosiônicos é um meio ótimo para produzir combustíveis de energia alternativa.The use of a biomass solution comprising the solubilization pretreatment step of biomass solution in ionic liquids is an optimal means for producing alternative energy fuels.
Líquidos iônicos têm a distinta vantagem de serem tanto fluidos superiorespara solubilizar celulose, hemicelulose, e Iignina a partir de uma variedadede fontes de biomassa. A modalidade preferencial utiliza fosfatos iônicos lí-quidos "LIPs", sulfonamidas líquidas iônicas de poliamônio "PILS", e po-li(iônicos líquidos), ou combinações dos mesmos, com a distinta vantagemadicional de reduzida precipitação de sólidos prematuros (isto é, celulose, eetc.) quando a solução de biomassa tem um teor de umidade significativo (a-cima de 2%). O fluido, o qual neste caso é um líquido iônico que solubiliza abiomassa, é referido nas partes que se seguem como o "fluido solubilizante".Ionic liquids have the distinct advantage that they are both superior fluids for solubilizing cellulose, hemicellulose, and lignin from a variety of biomass sources. The preferred embodiment utilizes "LIPs" liquid ion phosphates, "PILS" polyammonium ionic liquid sulfonamides, and po-li (liquid ionic), or combinations thereof, with the distinct advantage of reduced premature solids precipitation (i.e. cellulose, etc.) when the biomass solution has a significant moisture content (up to 2%). The fluid, which in this case is an ionic liquid that solubilizes the abiomass, is referred to in the following parts as the "solubilizing fluid".
Uma modalidade especificamente preferencial combina o fluidosolubilizante com no mínimo um gás selecionado entre o grupo consistindoem dióxido de carbono, amônia, e metano. Os benefícios são particularmen-te superiores quando o gás é pressurizado para no mínimo a pressão super-crítica como um meio para aumentar taxas de transferência de massa.A specifically preferred embodiment combines the fluid solubilizer with at least one gas selected from the group consisting of carbon dioxide, ammonia, and methane. The benefits are particularly greater when the gas is pressurized to at least supercritical pressure as a means to increase mass transfer rates.
A integração do fluido solubilizante, também referido de modointercambiável como o fluido de trabalho, para pré-tratamento de uma bio-massa e como um absorvente dentro de um bomba de calefação de absor-ção/gerador de força tem o benefício adicional de aumentar o balanço deenergia associado com a produção de biocombustíveis tais como etanol oubutanol.The integration of solubilizing fluid, also interchangeably referred to as working fluid, for pretreatment of a biomass and as an absorbent within an absorption heat pump / power generator has the added benefit of increasing the energy balance associated with the production of biofuels such as ethanol or butanol.
Com referência à Figura 1, o processo de pré-tratamento é re-presentado onde a solução de biomassa 10 é preferencialmente extrusada20 para uma pressão equivalente à pressão do dióxido de carbono supercrí-tico "ScC02" 30 que é absorvido na fase de fluido solubilizante da soluçãode biomassa 10 como um líquido supercrítico. A fonte preferencial do ScC02é dessorvida de uma bomba de calefação de absorção integrada. A utiliza-ção de uma bomba de calefação de absorção reduz muito (na ordem de umaredução de 90%) os requisitos de energia de eletricidade comparada comcompressão de C02 tradicional. A solução de biomassa infundida comScC02 é adicionalmente aquecida por um gerador térmico 40, o qual podeser qualquer coisa de calor de escape de processo de um ciclo gerador deforça, calor de escape de pirólise/gaseificação, até um boiler tradicional, paraa temperatura de hidrólise preferencial conforme de conhecimento na técni-ca e específico para os aditivos enzimáticos e/ou catalíticos. A solução debiomassa resultante é adicionalmente processada utilizando o misturador deintensificação do processo preferencial, incluindo o dispositivo de cavitaçãohidrodinâmica representado 50 que tem um benefício adicional de criar pres-sões instantâneas muito elevadas durante o colapso de bolhas deste modocriando cavitação. Uma ampla gama de equipamento é conhecida na técnicapara obter cavitação hidrodinâmica incluindo um sistema exemplar conformeproporcionado pela VRTX Technologies LLC de San Antonio, Texas, EUA.O equipamento de cavitação hidrodinâmica reduz o tamanho de partícula dabiomassa resultando em aumento da área superficial da celulose, hemicelu-lose, e Iignina dentro da solução. O resultado final sendo aumento da ativi-dade superficial, se os processos de pós tratamento, conforme de conheci-mento na técnica, incluírem a decomposição catalítica ou enzimática da ce-lulose, hemicelulose, e Iigninas em intermediários de combustíveis. Uma e-tapa do processo de filtração e separação utilizando as membranas de mi-cro- e/ou nano-filtração preferenciais 60 são utilizadas para isolar componen-tes solúveis de componentes sólidos insolúveis, e subseqüentemente sofremo processo de explosão tradicional para posteriormente romper a ligação dehidrogênio presente na estrutura celulósica. A modalidade preferencial extraia entalpia disponível da solução de biomassa através de um dispositivo deextração de energia 70, com os dispositivos particularmente preferenciaisselecionados entre o grupo consistindo em rotores do gerador, trocador depressão, turbinas, quase-turbinas, pistões, e motor de reação a ar forçadocomo um meio para aumentar a eficiência de energia do processo de produ-ção de combustível. Os dispositivos de expansão particularmente preferen-ciais são rotores do gerador e motores de reação a ar forçado, ambos tendoa vantagem de alta eficiência de expansão e baixa suscetibilidade a danopara celulose precipitada e seus subprodutos. Ainda meio adicional paraaumentar a eficiência global do sistema inclui a seleção de componentes dealta eficiência para a expansão do estágio de ScC02 incluindo a utilizaçãode rotor do gerador de alta eficiência, dispositivo de extração de energia me-cânica incluindo rotor do gerador, turbina de expansão, bomba de expansão,ciclomotor Stirling, ciclomotor Ericsson, turbina de motor de reação a ar for-çado, ou combinações dos mesmos. Os dispositivos de extração de energiaparticularmente preferenciais são dispositivos supersônicos integrais sele-cionados entre o grupo consistindo em rotor do gerador, compressor e turbi-na incluindo compressores e turbinas operando ou no princípio de motor dereação a ar forçado ou de pulso-reator.Referring to Figure 1, the pretreatment process is represented where the biomass solution 10 is preferably extruded 20 to a pressure equivalent to the pressure of the "ScCO2" supercritical carbon dioxide 30 which is absorbed in the solubilizing fluid phase. of the biomass solution 10 as a supercritical liquid. The preferred source of ScCO2 is from an integrated absorption heat pump. Using an absorption heating pump greatly reduces (by the order of 90% reduction) electricity requirements compared to traditional CO2 compression. The ScCO2 infused biomass solution is further heated by a thermal generator 40, which can be anything from process exhaust heat from a power generator cycle, pyrolysis / gasification exhaust heat, to a traditional boiler, to the preferred hydrolysis temperature. as known in the art and specific for enzymatic and / or catalytic additives. The resulting biomass solution is further processed using the preferred process intensifying mixer, including the illustrated hydrodynamic cavitation device 50 which has the added benefit of creating very high instantaneous pressures during bubble collapse of this cavitation modocreating. A wide range of equipment is known in the art for hydrodynamic cavitation including an exemplary system as provided by VRTX Technologies LLC of San Antonio, Texas, USA. Hydrodynamic cavitation equipment reduces the particle size of the pulp resulting in increased cellulose surface area, hemicellu. -lose, and Iignin within the solution. The end result is increased surface activity if post-treatment processes, as known in the art, include catalytic or enzymatic decomposition of cellulose, hemicellulose, and lignins in fuel intermediates. A stepping off of the filtration and separation process using the preferred microprocessor and / or nanofiltration membranes 60 is used to isolate soluble components from insoluble solid components, and subsequently undergo a traditional blast process to subsequently rupture. hydrogen bond present in the cellulosic structure. The preferred embodiment extracts available enthalpy from the biomass solution via an energy extraction device 70, with particularly preferred devices selected from the group consisting of generator rotors, depression changer, turbines, quasi-turbines, pistons, and air reaction motor. as a means to increase the energy efficiency of the fuel production process. Particularly preferred expansion devices are generator rotors and forced air reaction motors, both having the advantage of high expansion efficiency and low susceptibility to damage to precipitated cellulose and its byproducts. Still additional means to increase overall system efficiency include high efficiency component selection for ScC02 stage expansion including the use of high efficiency generator rotor, mechanical energy extraction device including generator rotor, expansion turbine, expansion pump, Stirling moped, Ericsson moped, forced air reaction engine turbine, or combinations thereof. Particularly preferred energy extraction devices are supersonic integral devices selected from the group consisting of generator rotor, compressor and turbine including compressors and turbines operating or on the principle of forced air or pulse-reactor motor.
Também com referência à Figura 1, numerosos meios são deconhecimento na técnica para aumentar a pressão da solução de biomassa,embora o preferencial seja um extrusor 20 tendo os benefícios de tanto atin-gir a pressão desejada do fluido não compressível com alta eficiência de e-nergia (comprimir um fluido não compressível requer energia significativa-mente menor do que um fluido compressível, isto é, vantagens conhecidasna técnica de qualquer bomba de calefação de absorção vs. uma bomba decalefação por compressão a vapor). A infusão adicional 30 do dióxido decarbono supercrítico na pressão de absorção (a qual é pós o dispositivo deexpansão/evaporador) na solução de biomassa permite que o ScC02 sejaabsorvido no líquido iônico. Um meio mecânico subseqüente é usado paraaumentar adicionalmente a pressão da pasta semifluida de biomassa, líquidoiônico, e dióxido de carbono para a pressão do gerador/dessorvedor (isto é,lado de alta pressão do ciclo termodinâmico). Os meios mecânicos incluem,embora não são limitados a, bomba de deslocamento positivo, extrusor,compressor/bomba de calefação hidráulica, ou combinações dos mesmos.A utilização do líquido iônico tem a principal vantagem de possibilitar simul-taneamente a rápida degradação dos produtos de celulose, hemicelulose, elignina para subprodutos capazes, conforme de conhecimento na técnica, deserem convertidos catalítica ou enzimaticamente para uma ampla faixa decarburantes combustíveis, e a funcionalidade integral da alta absorção deScC02 possibilitando alta eficiência de conversão de força. O ciclo de gera-ção de força de absorção pode ser ou o ciclo de geração de energia primá-rio, um ciclo de fundo para outros ciclos termodinâmicos de geração de forçaprincipalmente aumentando a eficiência de energia do ciclo de geração deforça primário através de recuperação de energia, um ciclo de bomba decalefação de absorção multi-efeito, ou incorporado em virtualmente qualquerciclo termodinâmico acionado por uma fonte térmica.Also with reference to Figure 1, numerous means are known in the art for increasing the pressure of the biomass solution, although the preferred one is an extruder 20 having the benefits of both achieving the desired pressure of the non-compressible fluid with high energy efficiency. energy (compressing a non-compressible fluid requires significantly less energy than a compressible fluid, that is, advantages known in the art of any absorption heating pump vs. a steam compression heating pump). Additional infusion of supercritical decarbon dioxide at the absorption pressure (which is after the expansion / evaporator device) in the biomass solution allows ScCO2 to be absorbed into the ionic liquid. A subsequent mechanical means is used to further increase the pressure of the semi-fluid slurry of biomass, ionic liquid, and carbon dioxide for generator / desorbent pressure (ie, high pressure side of the thermodynamic cycle). Mechanical means include, but are not limited to, positive displacement pump, extruder, compressor / hydraulic heating pump, or combinations thereof. The use of ionic liquid has the main advantage of simultaneously enabling rapid degradation of the products of cellulose, hemicellulose, elignin to by-products capable, as is well known in the art, of catalytically or enzymatically converted to a wide range of combustible fuels, and the full functionality of the high absorption of ScCO2 enabling high efficiency of force conversion. The absorption force generation cycle may be either the primary power generation cycle, a background cycle for other thermodynamic power generation cycles, principally increasing the energy efficiency of the primary power generation cycle through recovery of energy. energy, a multi-effect absorption heat pump cycle, or incorporated into virtually any thermodynamic cycle driven by a thermal source.
O estágio de "gerador térmico" 40 de dessorção é outro consu-midor puro de energia. O consumo de energia (isto é, temperatura de des-sorção) pode ser reduzido por meios incluindo o reator de disco de repuxa-mento como um meio para aumentar a taxa de transferência de calor paradentro/para fora da solução de biomassa deste modo acelerando a taxa deabsorção/dessorção (taxas termicamente limitadas). Meios adicionais paraaumentar a elevada pressão lateral incluem a utilização de um compressortérmico-hidráulico incluindo um trocador de calor de trem de pressão, umasérie de estágios de pressão independentes tendo fluxo alternado ou pulsa-do, bomba hidráulica tendo um sorvedouro de calor integral, ou combinaçõesdos mesmos. A solução de biomassa é dessorvida em maiores eficiênciasutilizando a combinação de no mínimo um método térmico e no mínimo ummétodo não térmico incluindo métodos não térmicos selecionados entre ogrupo consistindo em refrigeração magnética, condensador de bomba decalefação por compressão a vapor, absorção de luz de espectro direto solarativada, eletrodiálise, campos eletrostáticos, separação de membrana, ele-trodessorção, pervaporação, centrífuga a gás, absorvedor de C02-líquido detubo de vórtice, decantação, ou combinações dos mesmos. A utilização defluidos em combinação com a solução de biomassa tendo regiões variandode miscibilidade, miscibilidade parcial, ou imiscibilidade permitem que sejaobtida separação de fases de alta eficiência variando parâmetros de opera-ção incluindo no mínimo uma função selecionada entre o grupo consistindoem temperatura, pressão, e pH.The desorption "thermal generator" stage 40 is another pure energy consumer. Energy consumption (i.e. desorption temperature) may be reduced by means including the jerking disc reactor as a means to increase the heat transfer rate to / from the biomass solution thereby accelerating the absorption / desorption rate (thermally limited rates). Additional means for increasing high lateral pressure include the use of a hydraulic heat pump including a pressure train heat exchanger, a series of independent pressure stages having alternating or pulsed flow, a hydraulic pump having an integral heat sink, or combinations thereof. same. The biomass solution is desorbed to greater efficiencies using a combination of at least one thermal method and at least one non-thermal method including non-thermal methods selected from the group consisting of magnetic cooling, steam compression pump condenser, direct spectrum light absorption. solaractivation, electrodialysis, electrostatic fields, membrane separation, electrodesorption, pervaporation, gas centrifuge, CO2-liquid absorber, vortex tube decantation, or combinations thereof. The use of fluids in combination with the biomass solution having regions ranging from miscibility, partial miscibility, or immiscibility allows high efficiency phase separation to be achieved by varying operating parameters including at least one function selected from the group consisting of temperature, pressure, and temperature. pH.
Pré-tratamento de celulose como um meio para produzir glicoseé bem estabelecido na técnica, predominantemente utilizando a etapa inten-siva de energia de explosão de vapor. A utilização da invenção de proces-samento da biomassa em um líquido iônico possibilita uma redução significa-tiva na energia térmica e uma redução dos requisitos de temperatura da rea-ção. O aumento subseqüente da pressão da pasta semifluida de biomassa elíquido iônico é obtida através de meios mecânicos. A solução de biomassade pressão intermediária resultante é preferencialmente onde a pressão in-termediária é equivalente ao estágio de baixa pressão do ciclo de absorçãointegral (isto é, pressão do absorvedor).Cellulose pretreatment as a means for producing glucose is well established in the art, predominantly utilizing the intensive vapor burst energy step. The use of the invention to process biomass in an ionic liquid enables a significant reduction in thermal energy and a reduction in reaction temperature requirements. Subsequent increase in the pressure of the semifluid ionic biomass slurry is obtained by mechanical means. The resulting intermediate pressure biomass solution is preferably where the intermediate pressure is equivalent to the low pressure stage of the integral absorption cycle (ie absorber pressure).
Outra modalidade particularmente preferencial consiste adicio-nalmente em irradiação de microondas para aumentar a taxa de hidrólise porum mínimo de 10%. Uma modalidade especificamente preferencial imobilizaas enzimas dentro do fluido de trabalho aproveitando a absorção superior eespecífica do líquido iônico de irradiação de microondas de tal modo que ahidrólise enzimática pé reforçada atingindo um centro catalítico ativo Iocali-zado resultando em uma redução na temperatura de hidrólise de no mínimo5 graus Fahrenheit menos do que o vácuo do processo de pré-tratamento deirradiação de microondas. O resultado líquido é dano reduzido para proteí-nas por desnaturação térmica.Another particularly preferred embodiment is additionally microwave irradiation to increase the hydrolysis rate by a minimum of 10%. A specifically preferred embodiment immobilizes enzymes within the working fluid by taking advantage of the superior specific absorption of the microwave irradiation ionic liquid such that the enzymatic foot-reinforced foot reaching a catalyzed active catalytic center resulting in a reduction in the hydrolysis temperature of at least 5 Fahrenheit degrees less than the vacuum of the microwave radiation pretreatment process. The net result is reduced damage to proteins by thermal denaturation.
Quando o processo de conversão de biomassa do pré-tratamento é ou enzimática ou requer um aumento de temperatura além datemperatura na qual proteínas desnaturam ou enzimas perdem sua ativida-de, a inclusão adicional de trealose reforça a vida enzimática eficaz e limita adesnaturação das proteínas. Numerosas vantagens distintas estão presen-tes quando a conversão de biomassa para combustível é obtida preferenci-almente usando reações catalíticas, com os catalisadores preferenciais sele-cionados entre o grupo consistindo em catalisadores submícron, eletrocatali-sadores submícron, ou fotocatalisadores submícron onde submícron e na-noescala são usados de modo intercambiável. É sabido na técnica de rea-ção catalítica que alta superfície de área em nanoescala (isto é, tamanho departícula de cristalito submícron) e ou ativação de fótons ou elétrons aceleraa química da reação levando tanto a maior eficiência de energia quanto areduzidos custos de amortização do capital. As distintas vantagens combi-nadas realizadas pelo fluido solubilizante preferencial, a integração da bom-ba de calefação de absorção para requisito de baixa energia para obterpressões supercríticas, a integração de extração de energia para transformarentalpia em um co-produto útil de eletricidade, e transferência de massa ele-vada de reações supercríticas produz conversão superior de biomassa parauma ampla faixa de range produtos resultantes de polímeros nanocompos-tos a biocombustíveis.When the pretreatment biomass conversion process is either enzymatic or requires a temperature increase beyond the temperature at which proteins denature or enzymes lose their activity, the additional inclusion of trehalose enhances effective enzyme life and limits protein denaturation. Numerous distinct advantages are present when the conversion of biomass to fuel is preferably achieved using catalytic reactions, with the preferred catalysts selected from the group consisting of submicron catalysts, submicron electrocatalysts, or submicron photocatalysts where submicron and in the field. -scale are used interchangeably. It is known in the catalytic reaction technique that high nanoscale area surface (i.e. submicron crystallite department size) and either photon or electron activation accelerates the reaction chemistry leading to both higher energy efficiency and reduced damping costs. capital. The distinct combined advantages realized by the preferred solubilizing fluid, the integration of the low energy requirement absorption heat pump to obtain supercritical pressures, the integration of energy extraction to transform mental copy into a useful co-product of electricity, and transfer high mass of supercritical reactions produces superior biomass conversion over a wide range of nanocomponent polymer products to biofuels.
Com referência à Figura 3 é outra modalidade do processo depré-tratamento onde a reação particularmente preferencial inclui uma etapado processo fotocatalítico 240 para adicionalmente modificar os subprodutosda biomassa através da etapa de dividir hidrogênio da solução de biomassa,com uma etapa subseqüente de separar o gás hidrogênio 250 por meios deconhecimento na técnica. Um método especificamente preferencial de pro-cessamento da solução de biomassa supercrítica 10 consiste adicionalmenteem etapas do processo para aquecer a solução de biomassa por meios sola-res. Um método superior é utilizar tanto painéis planos solares supercríticos220 ou receptores de concentradores solares supercríticos 230, por meiodos quais é obtida performance ótima configurando os dispositivos solaresem um fluxo seqüencial primeiro nos painéis planos solares supercríticos eem seguida em receptores de concentradores solares supercríticos como ummeio para minimizar o custo do capital e operar perdas térmicas.Referring to Figure 3 is another embodiment of the pre-treatment process where the particularly preferred reaction includes a stepped photocatalytic process 240 for additionally modifying biomass by-products by the step of dividing hydrogen from the biomass solution, with a subsequent step of separating the hydrogen gas. 250 by means of knowledge in the art. A specifically preferred method of processing supercritical biomass solution 10 is furthermore in process steps for heating the biomass solution by solar means. A superior method is to use either supercritical solar flat panels220 or supercritical solar concentrator receivers 230, whereby optimum performance is achieved by setting the solar devices to a sequential flow first on supercritical solar flat panels and then supercritical solar concentrator receivers as a means to minimize the cost of capital and operate thermal losses.
A principal motivação para conversões de biomassa para bio-combustível, em outras palavras a produção de combustíveis de energia al-ternativa, é a redução de gases do aquecimento global. A criação de gasesdo aquecimento global é largamente influenciada e é uma conseqüência dobalanço de energia associado com o processo de produção. Portanto, a in-clusão adicional e integração direta de uma bomba de calefação de absor-ção tendo no mínimo um componente do fluido de trabalho em comunicaçãode fluidos com o processo de pré-tratamento possibilita uma redução no con-sumo de energia do início ao fim do processo de conversão de biomassa emais notavelmente no processo de pré-tratamento de intensiva energia. Obenefício adicional da integração da bomba de calefação de absorção é aprodução de baixa energia de gases supercríticos, particularmente C02 con-forme absorvido em uma ampla gama de absorventes refrigerantes incluindoácido glicólico, álcoois, acetato amílico, acetato isobutílico, ILs, LIPs, e PILs.A necessidade de reduzida energia é atribuída à necessidade de reduzidaelétrica para "comprimir" um líquido comparado com comprimir um gás.The main motivation for biomass to biofuel conversions, in other words the production of alternative energy fuels, is the reduction of global warming gases. The creation of global warming gases is largely influenced and is a consequence of the energy balance associated with the production process. Therefore, the additional inclusion and direct integration of an absorption heating pump having at least one working fluid component in fluid communication with the pretreatment process enables a reduction in energy consumption from start to finish. end of the biomass conversion process and most notably in the energy intensive pretreatment process. An additional benefit of the absorption heat pump integration is the low energy production of supercritical gases, particularly as absorbed in a wide range of refrigerant absorbers including glycolic acid, alcohols, amyl acetate, isobutyl acetate, ILs, LIPs, and PILs. The need for reduced energy is attributed to the need for reduced electricity to "compress" a liquid compared to compressing a gas.
O processo de baixa energia combinado resulta em um aumentoda área de superfície da biomassa acelerando as reações de hidrólise, oxi-dação, e/ou redução da solução de biomassa. O gás supercrítico (isto é, re-frigerante da bomba de calefação de absorção) é opcionalmente adicional-mente integrado no processo de conversão de biomassa como um meio pa-ra reduzir o teor de umidade que está naturalmente presente na biomassapara limitar a precipitação prematura de celulose e hemicelulose do fluido detrabalho do pré-tratamento. O gás supercrítico, mais notavelmente C02, éem seguida subseqüentemente desidratado em glicerina ou glicerol (compo-nente do fluido de trabalho A1, o qual é um subproduto da biomassa para oprocesso de conversão de biodiesel). Este processo de desidratação é signi-ficativamente menos intensivo de energia do que meio de secagem tradicio-nal para biomassa, com o teor de umidade/água preferencial de menos de2% em uma base em peso do fluido de trabalho. A/O glicerina/glicerol satu-rada/o de umidade é regenerada/o no mínimo em parte utilizando o calor deescape recuperado de no mínimo um componente de fluido de trabalho A2(o qual neste exemplo é C02 supercríticos) em comunicação de fluidos comtanto a biomassa para processo de conversão de biocombustível quanto abiomassa para processos de conversão de biodiesel.The combined low energy process results in an increase in biomass surface area by accelerating hydrolysis, oxidation, and / or biomass solution reduction reactions. Supercritical gas (ie absorption refrigeration pump cooler) is optionally further integrated into the biomass conversion process as a means to reduce the moisture content that is naturally present in the biomass to limit premature precipitation. cellulose and hemicellulose fluid from the pre-treatment work. The supercritical gas, most notably CO2, is subsequently subsequently dehydrated to glycerine or glycerol (as a working fluid component A1, which is a biomass by-product for the biodiesel conversion process). This dehydration process is significantly less energy intensive than traditional biomass drying medium, with the preferred moisture / water content of less than 2% on a weight basis of the working fluid. The moisture-saturated glycerin / glycerol is regenerated at least in part using recovered heat from at least one working fluid component A2 (which in this example is supercritical CO2) in fluid communication as well. biomass for biofuel conversion process and biomass for biodiesel conversion processes.
Com referência à Figura 6 é uma modalidade tendo verdadeiraintegração de uma biomassa para biocombustível com uma biomassa paraprocesso de conversão de biodiesel. O processo de biocombustível é carac-terizado como sendo consistindo em uma forte solução de C02 supercrítico600 que é dessorvida, preferencialmente de uma bomba de calefação deabsorção, e desidratada 601 pela infusão do ScC02 hidratado no subprodu-to glicerina/glicerol do processo de biodiesel. Isto transforma a biomassa dealto teor de umidade 602 em uma solução de biomassa de reduzido teor deumidade 603 tendo compatibilidade aumentada com o fluido solubilizantesupracitado. O ScC02 contém adicionalmente lipídeos e extratos de bio-massa que são processados através de um processo de isolamen-to/extração 619 conforme de conhecimento na técnica produzindo co-produtos de alto valor adicionado 618 e lipídeos 625 utilizados dentro doprocesso de biodiesel a ser esterificado 626 em biodiesel 627. A gliceri-na/glicerol hidratada 620 pode ser ou regenerada para reuso ou é pirolisa-da/gaseificada 621 em ou singás ou adicionalmente processada catalitica-mente 628 para co-produtos de valor adicionado adicionais. Este estágio depirólise/gaseificação 621 cria significativo calor de escape que pode ser re-cuperado para múltiplos fins através do sistema de recuperação de calor 629incluindo input de energia térmica para a biomassa para processo de con-versão de biocombustível ou a produção de eletricidade 622, preferencial-mente através dos supracitados bomba de calefação de absorção/ciclo ge-rador de força como input térmico no gerador/dessorvedor. Esta eletricidadeproduzida 622 é otimamente utilizada para vários processos eletroquímicose/ou criando irradiação de microondas 623 como um meio para aumentar ataxa de hidrólise dentro do processo de hidrólise supracitado. Incrementandoo processo de conversão de biocombustível está o isolamento do fluido so-lubilizante, preferencialmente consistindo em solução de líquido iônico 604tendo enzimas imobilizadas 605. O processo de pré-tratamento de hidrólisecontinua até este momento como uma solução aquosa 612, preferencial-mente consistindo adicionalmente de mediadores de transferência de elé-trons, etc., é misturado através de um misturador de intensificação do pro-cesso 606 criando uma solução de líquido iônico hidratado 607 produzindoextratos isolados 613. O componente de água do fluido solubilizante hidrata-do criando vapor de alta pressão "dessorvido" 609 o qual por sua vez produzeletricidade adicional 610 novamente produzindo calor de escape 611 que éutilizado dentro dos supracitados AFEX e/ou ciclos de bomba de calefaçãode absorção. Adicionalmente, em conseqüência da dessorção de água dofluido solubilizante é a dessorção de ScC02 que é transformada em co-produtos através de ou um processo de reação catalítica 614 ou é uma ma-téria-prima para um processo de íermentação/enzimático subseqüente 614.O processo de fermentação/enzimático 614 produz C02 adicional o qual éabsorvido no fluido solubilizante (no estado de solução fraca) 615. A novasolução forte é reduzida eletroquimicamente 616 criando metano/metanol617, em que o processo eletroquímico está rechaçando a eletricidade gera-da 610.Referring to Figure 6 it is one embodiment having true integration of a biomass for biofuel with a biomass for biodiesel conversion process. The biofuel process is characterized as consisting of a strong supercritical CO2 solution 600 which is desorbed, preferably from a heat-absorbing heat pump, and dehydrated 601 by infusion of hydrated ScCO2 into the glycerine / glycerol byproduct of the biodiesel process. This transforms the high moisture content biomass 602 into a low moisture biomass solution 603 having increased compatibility with the solubilizing fluid. ScC02 additionally contains lipids and biomass extracts which are processed through an isolation / extraction process 619 as known in the art to produce high value added co-products 618 and lipids 625 used within the biodiesel process to be esterified. 626 in biodiesel 627. Hydrated glycerine / glycerol 620 may be either regenerated for reuse or is pyrolyzed / gasified 621 in or singas or further catalytically processed 628 for additional value added co-products. This 621 pyrolysis / gasification stage creates significant exhaust heat that can be recovered for multiple purposes through the 629 heat recovery system including thermal energy input to the biomass for biofuel conversion process or electricity generation 622, preferably via the aforementioned absorption heat pump / power generator cycle as thermal input to the generator / desorbent. This produced electricity 622 is optimally used for various electrochemical processes and / or for creating microwave irradiation 623 as a means to increase the hydrolysis rate within the above hydrolysis process. In addition to the biofuel conversion process is the isolation of the lubricating fluid, preferably consisting of ionic fluid solution 604 having immobilized enzymes 605. The hydrolysis pretreatment process continues to date as an aqueous solution 612, preferably additionally consisting of electron transfer mediators, etc., is mixed through a process intensifying mixer 606 creating a solution of hydrated ionic liquid 607 producing isolated extracts 613. The water component of the hydrating solubilizing fluid creating high vapor "desorbed" pressure 609 which in turn produces additional electricity 610 again producing exhaust heat 611 which is used within the aforementioned AFEX and / or absorption heat pump cycles. Additionally, as a result of the desubtion of water solubilizing fluid is the desorption of ScCO2 which is co-produced by either a catalytic reaction process 614 or is a raw material for a subsequent fermentation / enzymatic process 614. fermentation / enzymatic process 614 produces additional CO2 which is absorbed into the solubilizing fluid (in the weak solution state) 615. The strong new solution is reduced electrochemically 616 creating methane / methanol617, where the electrochemical process is rejecting the generated electricity 610.
Com referência à Figura 8 são os inputs globais de matéria-prima e produtos e co-produtos resultantes implementando os processos debiocombustível e biodiesel integrados supracitados, o qual é referido como oprocesso AIterVia 710. Uma biomassa celulósica 700 ou produtos agrícolas705 (mais notavelmente produtos com um significativo teor de proteína) sãoinputs de matéria-prima. O primeiro resultado (output) direto é biodiesel 720com seu subproduto de glicerina 715 que é utilizado como um input no pro-cesso de biocombustível lateral conforme caracterizado anteriormente.O segundo resultado direto é um biocombustível incluindo etanol ou butanol725 com seu subproduto de C02 730 que é adicionalmente processado porredução eletroquímica em metanol 735 e se torna um input no processo debiodiesel lateral conforme caracterizado anteriormente. Co-produtos adicio-nais incluem extratos isolados tais como vitaminas e extratos de plantas 740,hidrolisados de proteína e aminoácidos/peptídeos 745, antioxidantes e poli-fenóis 750. Os subprodutos adicionais de calor de escape são transformadosem eletricidade 755, preferencialmente pelos supracitados bomba de calefa-ção de absorção/gerador de força. E por último, as fibras celulósicas proces-sadas pelo processo de pré-tratamento caracterizado anteriormente e pro-cesso de precipitação de microcanais resulta em nanowhiskers celulósicosque são adicionalmente processados em nanocompostos 760.Referring to Figure 8 are the global inputs of raw materials and resulting products and co-products implementing the aforementioned integrated bio-fuel and biodiesel processes, which is referred to as the AIterVia 710 process. A cellulosic biomass 700 or agricultural products705 (most notably products with a significant protein content) are raw material inputs. The first direct output is 720 biodiesel with its glycerine by-product 715 which is used as an input in the side biofuel process as previously characterized. The second direct output is a biofuel including ethanol or butanol725 with its by-product of CO 2 730 which It is further processed by electrochemical reduction in methanol 735 and becomes an input to the lateral biodiesel process as previously characterized. Additional by-products include isolated extracts such as vitamins and plant extracts 740, protein hydrolysates and amino acids / peptides 745, antioxidants and polyphenols 750. Additional exhaust heat by-products are transformed into electricity 755, preferably by the aforementioned pumps. heater / power generator. And lastly, the cellulosic fibers processed by the previously characterized pretreatment process and microchannel precipitation process results in cellulosic nanowhiskers which are further processed into 760 nanocomposites.
Ganhos de Eficiência Secundários - A infusão subseqüente dedióxido de carbono, especialmente dióxido de carbono supercrítico "ScC02",tem o benefício secundário de reforçar o processo de hidrólise da biomassa.A solução de biomassa preferencial é pressurizada para uma pressão emexcesso de 12,9 MPa manométricos (600 psia). Uma solução de biomassaparticularmente preferencial é pressurizada em excesso da pressão super-crítica de dióxido de carbono de 23 MPa manométricos (1073 psia), de talmodo que a solução de biomassa está dentro da região supercrítica. Os be-nefícios de operar dentro da faixa supercrítica tem benefícios muito significa-tivos conforme é de conhecimento na técnica incluindo reduzida tensão su-perficial, deste modo possibilitando a utilização posterior de trocadores decalor de microcanais, reatores de microcanais, e a alta reatividade dos flui-dos supercríticos tanto para transformações químicas catalíticas quanto en-zimáticas. Uma fonte de dióxido de carbono, como um meio adicional parareduzir o efeito estufa do dióxido de carbono, é a integração do subprodutoda fermentação de dióxido de carbono sendo absorvido pelo líquido iônico. Éadicionalmente previsto incorporar o sistema de conversão de biomassa dealta eficiência em métodos de conversão de biomassa para combustíveisalternativos; geração de força adicional, processos industriais, plantas detratamento de resíduos, ou instalações adicionais que produzem ou calor deescape ou dióxido de carbono. Portanto as ineficiências e subprodutos deum ciclo são portanto alavancadas no ciclo adjacente proporcionando bene-fícios econômicos e de estufa reais além da operação de qualquer sistemade ciclo único.Secondary Efficiency Gains - Subsequent infusion of carbon dioxide, especially "ScC02" supercritical carbon dioxide, has the secondary benefit of enhancing the biomass hydrolysis process. The preferred biomass solution is pressurized to an excess pressure of 12.9 MPa gauge (600 psia). A particularly preferred biomass solution is pressurized in excess of the supercritical carbon dioxide pressure of 23 MPa (1073 psia) such that the biomass solution is within the supercritical region. The benefits of operating within the supercritical range have very significant benefits as is well known in the art including reduced surface tension, thereby enabling the subsequent use of microchannel heat exchangers, microchannel reactors, and the high reactivity of supercritical flows for both catalytic and enzymatic chemical transformations. One source of carbon dioxide, as an additional means to reduce the greenhouse effect of carbon dioxide, is the integration of the carbon dioxide fermentation byproduct being absorbed by the ionic liquid. It is further envisaged to incorporate the high efficiency biomass conversion system into methods of converting biomass to alternative fuels; additional power generation, industrial processes, waste disposal plants, or additional facilities that produce either exhaust heat or carbon dioxide. Therefore the inefficiencies and byproducts of one cycle are therefore leveraged in the adjacent cycle providing real economic and greenhouse benefits beyond the operation of any single cycle system.
Uma bomba de calefação de absorção particularmente preferen-ciai consiste adicionalmente em um ciclo de geração de força para produzireletricidade utilizada para no mínimo uma função selecionada entre o grupoconsistindo em irradiação de microondas, redução eletroquímica, e eletróli-se. A integração direta do ciclo gerador de força tem os meios para reduzir ocusto da eletricidade requerida para implementar uma série de etapas críti-cas do processo para reforçar o processo de conversão da biomassa aomesmo tempo que também produzindo calor de escape recuperado do ciclodo fundo, o qual passa a ficar em comunicação de fluidos com o processo depré-tratamento da biomassa.A particularly preferred absorption heat pump further consists of a power generation cycle to produce electricity used for at least one function selected from the group consisting of microwave irradiation, electrochemical reduction, and electrolyte. Direct integration of the power generator cycle has the means to reduce the electricity cost required to implement a series of critical process steps to reinforce the biomass conversion process at the same time as also producing exhaust heat recovered from the bottom cyclode. which becomes fluid communication with the biomass pre-treatment process.
Outro benefício de integrar o processo de pré-tratamento de rá-pida expansão tendo um gás expandido e um ciclo termodinâmico geradorde força, em que o gás expandido do processo de pré-tratamento está emcomunicação de fluidos com o condensador do ciclo termodinâmico geradorde força, é aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico tanto do processode pré-tratamento da biomassa quanto do ciclo termodinâmico gerador deforça. O gás expandido aumenta a temperatura diferencial dentro do ciclotermodinâmico, deste modo permitindo uma maior eficiência de Carnot. Oprocesso de recuperação de energia consiste adicionalmente de um disposi-tivo de recuperação de calor de escape para recuperar energia térmica apartir do condensador do ciclo termodinâmico gerador de força por meio doqual a energia térmica é adicionalmente aumentada pelo calor de absorçãopela mistura subseqüente do gás expandido em no mínimo um absorventeantes de recombinar com a solução de biomassa. A elevação da temperatu-ra obtida pelo calor da absorção aumenta a "qualidade" do fluido de trabalhode tal modo que a energia térmica é utilizada, no mínimo em parte, como umestágio de preaquecimento. O calor de escape é utilizado para no mínimouma função selecionada entre o grupo consistindo em preaquecimento dasentradas do processo de pré-tratamento de rápida expansão, bomba de ca-lefação hidráulica, e entradas de uma bomba de calefação de absorção co-mo um meio para aumentar a pressão do fluido.Another benefit of integrating the rapid expansion pretreatment process having an expanded gas and a force-generating thermodynamic cycle, wherein the expanded gas of the pretreatment process is in fluid communication with the force-generating thermodynamic cycle condenser, is to increase the efficiency of the thermodynamic cycle of both the biomass pretreatment process and the force generator thermodynamic cycle. Expanded gas increases the differential temperature within the cyclothermodynamic, thus allowing for greater Carnot efficiency. The energy recovery process further consists of an exhaust heat recovery device for recovering thermal energy from the thermodynamic power generating cycle condenser whereby the thermal energy is further increased by the heat of absorption by the subsequent mixing of the expanded gas in at least one absorbent to recombine with the biomass solution. Increasing the temperature obtained by the heat of absorption increases the "quality" of the working fluid such that thermal energy is used at least in part as a preheat stage. Exhaust heat is used for at least one function selected from the group consisting of preheating rapid expansion pre-treatment process inlets, hydraulic heating pump, and absorption heat pump inlets as a means for increase fluid pressure.
Ainda outra modalidade é a utilização de um dispositivo de recu-peração de calor de escape para recuperar energia térmica a partir do con-densador do ciclo termodinâmico gerador de força em comunicação de flui-dos com a solução de biomassa e em que a energia térmica é utilizada comono mínimo uma fonte de energia térmica parcial dentro de uma reação endo-térmica. A utilização de calor de escape de baixa "qualidade" como um pri-meiro estágio de preaquecimento em uma reação endotérmica (tal como pi-rólise de glicose) aumenta a eficiência de energia do ciclo combinado.Still another embodiment is the use of an exhaust heat recovery device to recover thermal energy from the thermodynamic cycle power generator condenser in fluid communication with the biomass solution and wherein the thermal energy It is used with at least a partial thermal energy source within an endo-thermal reaction. Using low "quality" exhaust heat as a first preheat stage in an endothermic reaction (such as glucose pyrolysis) increases the energy efficiency of the combined cycle.
Outra modalidade alavanca as vantagens de fluidos binários si-multaneamente dentro do processo de pré-tratamento da biomassa e ciclogerador de força. Fluidos binários Atingem superior eficiência de energiadentro de ciclos Organic Rankine, ao passo que os mesmos fluidos bináriosaumentam a taxa de hidrólise dentro do processo de pré-tratamento da bio-massa. Portanto o ciclo termodinâmico gerador de força consiste em um flui-do de trabalho tendo no mínimo um primeiro fluido de trabalho W1 e um se-gundo fluido de trabalho W2. Combinações típicas para fluidos binários sãoselecionadas entre o grupo consistindo em dióxido de carbono, amônia, me-tanol, etanol, butanol, e água. Combinações particularmente preferenciaissão C02 e NH4, C02 e metanol, C02 e etanol, ou C02 e butanol. Os ciclostermodinâmicos preferenciais nos quais os benefícios serão realizados in-cluem ciclos selecionados entre o grupo consistindo em ciclos de Goswami,Uehara, Kalina, Rankine, Carnot, Joule-Brayton, Ericsson, e Stirling. Os ci-clos preferenciais são ciclos de combinação nos quais o sistema de conver-são de biomassa alavanca tanto o calor de escape quanto a utilização sinér-gica de líquidos iônicos de qualquer ciclo termodinâmico único em um ciclotermodinâmico híbrido de alta eficiência. Um modo operacional particular-mente preferencial para o ciclo termodinâmico gerador de força é seleciona-do entre o grupo consistindo em ciclos binários Organic Rankine, Goswami,Kalina, e Carnot. O resultado é máxima geração de força, eficiência de ener-gia global, e emissões de C02 reduzidas.Another embodiment leverages the advantages of binary fluids simultaneously within the biomass and power cyclogenerator pretreatment process. Binary fluids Achieve superior energy efficiency within Organic Rankine cycles, while the same binary fluids increase the hydrolysis rate within the biomass pretreatment process. Therefore the force-generating thermodynamic cycle consists of a working fluid having at least a first working fluid W1 and a second working fluid W2. Typical combinations for binary fluids are selected from the group consisting of carbon dioxide, ammonia, methanol, ethanol, butanol, and water. Particularly preferred combinations are CO2 and NH4, CO2 and methanol, CO2 and ethanol, or CO2 and butanol. Preferred cyclosterodynamics in which the benefits will be realized include selected cycles among the group consisting of Goswami, Uehara, Kalina, Rankine, Carnot, Joule-Brayton, Ericsson, and Stirling cycles. Preferred cyclos are combination cycles in which the biomass conversion system leverages both exhaust heat and synergistic use of ionic liquids of any single thermodynamic cycle in a high efficiency hybrid cyclothermodynamic. A particularly preferred operating mode for the force-generating thermodynamic cycle is selected from the group consisting of binary cycles Organic Rankine, Goswami, Kalina, and Carnot. The result is maximum power generation, overall energy efficiency, and reduced CO2 emissions.
Com referência à Figura 7, é outra modalidade que representauma significativa redução dos requisitos de energia além do processo "A-FEX" de explosão de fibras de amônia aprimorado. O processo AFEX apri-morado é caracterizado como se segue: A biomassa 300 penetra no proces-so de pré-tratamento 310 depois de ser infundida com energia térmica deuma fonte externa tanto dentro do estágio de pré-tratamento 310 da fonte decalor 555 quanto com a coluna de explosão 520 da fonte de calor 560. A so-lução de biomassa é separada em dois fluxos de pasta semifluida pré-tratada 525 e fluido de trabalho de explosão 530 (o qual é predominante-mente amônia no processo AFEX). O fluido de trabalho de explosão 530 éem seguida infundido com água 540 e misturado 535, o que dispara a cria-ção de energia térmica do calor da absorção. O processo AFEX então passaseqüencialmente através de dois condensadores, com o primeiro sendo umatorre de esfriamento tradicional 545 e o segundo requerendo condensadorde esfriamento ativo 575 (portanto o evaporador de um resfriador) de modoque as soluções combinadas de água e amônia retornam para um líquidorequerendo menos energia para bombear 550 o líquido, ao invés de com-primir um gás. Uma modalidade preferencial integra uma bomba de calefa-ção de absorção/um ciclo gerador de força conforme caracterizado pelo es-tágio gerador/dessorvedor 380 com subseqüente recuperação de calor 390que preaquece a solução forte que está entrando no gerador, a subseqüenteexpansão do fluido de trabalho dessorvido (preferencialmente ScC02 ouamônia supercrítica) com dispositivo de extração de energia integral 70 pro-duzindo um gás expandido de baixa temperatura (isto é, produzindo esfria-mento) dentro do evaporador 510. A modalidade particularmente preferencialintegra o AFEX e a bomba de calefação de absorção tendo comunicaçõesde fluidos em vários pontos. O primeiro aprimoramento é tal que calor deescape é recuperado do condensador 545 que é utilizado no mínimo comoparte da pré-irradiação térmica 565 utilizada antes da fonte de calor 360 (ca-so mesmo necessária dependente da temperatura de dessorção). O segun-do aprimoramento é tal que o esfriamento produzido pela bomba de calefa-ção de absorção tornada disponível para AFEX através do evaporador 510remove a necessidade de modo diverso para equipamento de esfriamentoativo mecânico. O terceiro aprimoramento é a integração direta de um dispo-sitivo de extração de energia 330 capaz de tratar o alto teor de sólidos, en-quanto simultaneamente extraindo energia durante o estágio de rápida ex-pansão. Outro aprimoramento é a utilização de um trocador de pressão 515depois da membrana de filtração/separação 60 em que os sólidos são adi-cionalmente processados por um pós processo de pré-tratamento 570, de talmodo que é recuperada pressão do processo de pré-tratamento com a bio-massa não-pré-tratada 300 para completar o ciclo.Referring to Figure 7, it is another embodiment that represents a significant reduction in power requirements beyond the improved "A-FEX" process of ammonia fiber explosion. The enhanced AFEX process is characterized as follows: Biomass 300 enters the pretreatment process 310 after being infused with thermal energy from an external source both within the pretreatment stage 310 of the 555 heat source and with blast column 520 of heat source 560. The biomass solution is separated into two streams of pretreated semifluid pulp 525 and blast working fluid 530 (which is predominantly ammonia in the AFEX process). Explosion working fluid 530 is then infused with water 540 and mixed 535, which triggers the generation of thermal energy from absorption heat. The AFEX process is then sequentially passed through two capacitors, with the first being a traditional 545 cooling dam and the second requiring active cooling dam 575 (hence a chiller evaporator) so that the combined water and ammonia solutions return to a liquid requiring less energy. to pump 550 liquid rather than compressing a gas. A preferred embodiment comprises an absorption heat pump / power generator cycle as characterized by the generator / desorbent stage 380 with subsequent heat recovery 390 which preheats the strong solution entering the generator, the subsequent expansion of the working fluid. (preferably ScC02 or supercritical ammonia) with integral energy extraction device 70 producing a low temperature expanded gas (i.e. producing cooling) within the evaporator 510. The particularly preferred embodiment integrates the AFEX and the heat pump. absorption having fluid communications at various points. The first enhancement is such that exhaust heat is recovered from condenser 545 which is used at least as part of the thermal pre-irradiation 565 used prior to heat source 360 (even necessary depending on desorption temperature). The second enhancement is such that the cooling produced by the absorption heating pump made available to AFEX through the evaporator 510 removes the need differently for mechanical cooling equipment. The third enhancement is the direct integration of a 330 power extraction device capable of handling the high solids content while simultaneously extracting energy during the rapid expansion stage. Another enhancement is the use of a pressure changer 515 after the filtration / separation membrane 60 wherein the solids are further processed by a 570 pretreatment post-process such that pressure is recovered from the pretreatment process with the untreated biomass 300 to complete the cycle.
Outro uso significativo de eletricidade é a conversão do subpro-duto de C02 do processo de conversão de biomassa das etapas de fermen-tação (ou mesmo gaseificação/pirólise). O subproduto de C02 com H20 éeletroquimicamente reduzido em metanol, o qual é então subseqüentementeutilizado como um input no processo de esterificação de biodiesel integradopreferencialmente. Esta reação de redução é melhor realizada dentro de ILs,PILs, e/ou LIPs devido à significativa condutividade elétrica em combinaçãocom a elevada absorção de C02. Um meio adicional para aumentar a con-dutividade elétrica e reduzir a viscosidade do fluido de trabalho é adicionan-do solventes de carbonato incluindo carbonato de propileno "PC" e dimetilcarbonato "DMC". Alternativamente, o C02 absorvido pode ser adicional-de carbono ou síntese de carbonato como um meio de energia eficaz paraseqüestrar C02.Another significant use of electricity is the conversion of the CO2 by-product from the biomass conversion process of the fermentation (or even gasification / pyrolysis) steps. The by-product of CO2 with H2O is electrochemically reduced in methanol, which is then subsequently used as an input in the preferably integrated biodiesel esterification process. This reduction reaction is best performed within ILs, PILs, and / or LIPs due to significant electrical conductivity in combination with high CO2 absorption. An additional means for increasing electrical conductivity and reducing working fluid viscosity is by adding carbonate solvents including propylene carbonate "PC" and dimethylcarbonate "DMC". Alternatively, the absorbed CO2 may be additional carbon or carbonate synthesis as an effective energy medium for sequestering CO2.
A elevada condutividade elétrica (e condutividade térmica a qualreforça a transferência de calor) torna a solução de biomassa superior parauma ampla faixa de reações químicas particularmente aquelas reforçadaspor etapas de processo eletroquímico, de eletrólise, eletrocatalítico, ou foto-catalítico. A inclusão adicional de condutores em nanoescala e semi-condutores como um meio para aumentar a média quântica de caminho li-vre, pontos quânticos, cobre, íons de Fe2+, cluster de ferro-enxofre, ou elec-trides aumentam as taxas de reação. A biodigestão de materiais orgânicospode ser adicionalmente reforçada por etapas de processo eletroquímico.The high electrical conductivity (and thermal conductivity which enhances heat transfer) makes the biomass solution superior for a wide range of chemical reactions particularly those enhanced by electrochemical, electrolysis, electrocatalytic, or photocatalytic process steps. Additional inclusion of nanoscale conductors and semiconductors as a means to increase the quantum mean of free path, quantum dots, copper, Fe2 + ions, iron-sulfur cluster, or electrides increases reaction rates. The digestion of organic materials can be further enhanced by electrochemical process steps.
A presença de doadores de elétrons dentro do processo de con-versão de biomassa, particularmente quando é utilizado processamento ele-troquímico, reduz a taxa de oxidação da hidrólise. Deste modo remover fon-tes de doadores de elétrons antes de hidrólise incluindo lignina, antioxidan-tes, polifenóis, e compostos aromáticos aumenta a taxa de oxidação fotoca-talítica ou enzimática por um mínimo de 10% por toda a conver-são/degradação que ocorre durante a fermentação de solução de biomassapara biocombustíveis incluindo etanol e butanol. Fontes de doadores de elé-trons incluem tocoferóis, antioxidantes, aromáticos, e etc.The presence of electron donors within the biomass conversion process, particularly when electrochemical processing is used, reduces the oxidation rate of hydrolysis. Thus removing sources from electron donors prior to hydrolysis including lignin, antioxidants, polyphenols, and aromatic compounds increases the photokalitic or enzymatic oxidation rate by a minimum of 10% throughout the conversion / degradation that occurs. occurs during the fermentation of biomass solution for biofuels including ethanol and butanol. Sources of electron donors include tocopherols, antioxidants, aromatics, and the like.
Meio adicional para reforçar o processo de conversão é obtidopor inclusão de no mínimo um aditivo de fluido de trabalho selecionado entreo grupo consistindo em mediador de transferência de elétrons incluindo saisde ferro, derivados de sais de ferro, sais de potássio, sais de ácido lático,derivados de sais de potássio, derivados de sais de ácido lático, ácido fítico,ácido gálico, ferricianeto de potássio, polioxometalatos, ácido violírico, prote-ína policatiônica, complexos com ponte tialoto, complexos tiolados, metalo-proteínas, complexos de proteínas tendo um cluster de ferro-enxofre, com-plexos de trealose, cluster de ferro-enxofre, sódio-amônia, enxofre-amônia,um complexo de quitosana incluindo Iactato de quitosana, ácido alfa lipóicode quitosana, e quitosana tiolada, catalisador nanoescala, eletrocatalisador,fotocatalisador, doador de elétrons, aceptor de elétrons, absorvedor ultravio-eta, absorvedor infravermelho, ponto quântico, pó em nanoescala, reforça-dor de transferência de elétrons incluindo sais de ferro, derivados de sais deferro, sais de potássio, sais de ácido lático, derivados de sais de potássio,derivados de sais de ácido lático, ácido fítico, ácido gálico e combinaçõesdos mesmos.Additional means for enhancing the conversion process is obtained by including at least one working fluid additive selected from the group consisting of electron transfer mediators including iron salts, iron salt derivatives, potassium salts, lactic acid salts, of potassium salts, derivatives of lactic acid salts, phytic acid, gallic acid, potassium ferricyanide, polyoxometalates, violinic acid, polycationic protein, thialotium bridge complexes, thiolated complexes, metalloproteins, protein complexes having a cluster sulfur complexes, trehalose complexes, iron sulfur cluster, sodium ammonia, sulfur ammonia, a chitosan complex including chitosan lactate, chitosan alpha lipoic acid, and thiolate chitosan, nanoscale catalyst, electrocatalyst, photocatalyst, electron donor, electron acceptor, ultraviolet absorber, infrared absorber, quantum dot, nanoscale powder, electron transfer enhancer including iron salts, iron salt derivatives, potassium salts, lactic acid salts, potassium salt derivatives, lactic acid salt derivatives, phytic acid, gallic acid and combinations thereof.
A integração direta e a interdependência entre a bomba de cale-fação de absorção, capacidades de geração de força, transferência de calor,e numerosos co-produtos resultantes requer sistemas de controle bem alémdos requisitos do processo de automação de processos de conversão debiomassa tradicionais. A implementação de um sistema controle tendo algo-ritmos não lineares capaz de determinar o rendimento da operação máximoem tempo real monitorando no mínimo um parâmetro selecionado entre ogrupo consistindo em custo e preço de eletricidade, custo e preço por btu deesfriamento, custo e preço por btu de aquecimento, créditos de emissão dedióxido de carbono, custo e preço de metanol por btu, custo e preço de bio-combustíveis resultantes por btu, fator de conversão de eletricidade parareações eletroquímicas, e parâmetros de operação de uma célula de com-bustível reversa para redução eletroquímica de no mínimo um componenteda solução de biomassa resulta em otimização da produção de receita me-nos despesas operacionais.Direct integration and interdependence between the absorption heat pump, power generation capabilities, heat transfer, and numerous resulting co-products requires control systems well beyond the process requirements of traditional process conversion process. The implementation of a control system having nonlinear algorithms capable of determining the maximum operating performance in real time by monitoring at least one parameter selected from the group consisting of cost and price of electricity, cost and price per btu, cost and price per btu. emissions, carbon dioxide emission credits, cost and price of methanol per btu, cost and price of resulting biofuels per btu, electricity conversion factor for electrochemical reactions, and operating parameters of a reverse fuel cell for Electrochemical reduction of at least one component of the biomass solution results in optimization of revenue production and lower operating expenses.
Ainda outra modalidade é a integração de um dispositivo de ex-tração de energia dentro da etapa de rápida expansão que ocorre dentro dasetapas de explosão (explosão de fibras de amônia, explosão de vapor, ex-plosão supercrítica). O resultado é a produção simultânea de eletricidade eesfriamento o qual termina o processo de hidrólise. O dispositivo preferencialde extração de energia inclui um rotor do gerador, trocador de pressão, equase-turbina. Estes dispositivos têm a distinta vantagem de permitir a ex-pansão da pressão com mínimo impacto dos sólidos da biomassa. Meio adi-cional para reduzir o tamanho de partícula de celulose precipitada, o qualtambém aumenta a área superficial, utiliza um dispositivo de microcanaistendo canais menores do que 10 micra antes do estágio de expansão. Umamodalidade preferencial utiliza uma etapa de rápida expansão que ocorreem uma série de estágios de queda de pressão independentes consistindoem no mínimo um primeiro estágio de queda de pressão e um segundo es-tágio de queda de pressão. Uma pressão pré-expansão particularmente pre-ferencial é uma pressão maior do que a pressão supercrítica do fluido. Oprimeiro estágio de queda de pressão tem uma pressão abaixo da pressãosupercrítica de no mínimo um fluido de trabalho. A utilização dos no mínimodois estágios de queda de pressão permite a capacidade de geração de má-xima energia (isto é, transformar entalpia da energia térmica da solução debiomassa em eletricidade) ao mesmo tempo que minimizando problemas deviscosidade associados com diminuição gradual de pressão completa dossólidos da biomassa pós-pré-tratamento. O segundo estágio de queda depressão ocorre dentro de um trocador de pressão com fluido de alta pressãosendo a solução de biomassa da saída do processo de pré-tratamento e flui-do de baixa pressão sendo a solução de biomassa antes do processo depré-tratamento, como um meio para aumentar adicionalmente o balanço deenergia do processo de conversão de biomassa.Still another embodiment is the integration of an energy extraction device within the rapidly expanding stage that occurs within the burst stages (ammonia fiber burst, steam burst, supercritical burst). The result is the simultaneous production of electricity and cooling which ends the hydrolysis process. The preferred energy extraction device includes a generator rotor, pressure changer, equase turbine. These devices have the distinct advantage of allowing pressure expansion with minimal impact of biomass solids. An additional means for reducing the precipitated cellulose particle size, which also increases the surface area, utilizes a microcannister device having channels smaller than 10 microns prior to the expansion stage. A preferred embodiment utilizes a rapidly expanding stage that occurs in a series of independent pressure drop stages consisting of at least a first pressure drop stage and a second pressure drop stage. A particularly preferential pre-expansion pressure is a pressure greater than the supercritical pressure of the fluid. The first stage of pressure drop has a pressure below the critical pressure of at least one working fluid. Utilizing the minimum two pressure drop stages enables the ability to generate maximum energy (ie, transform enthalpy of thermal energy from the biomass solution into electricity) while minimizing viscosity problems associated with the gradual reduction of complete solid pressure. of post-pretreatment biomass. The second stage of depression drop occurs within a high pressure fluid pressure exchanger being the biomass solution from the pre-treatment process outlet and low pressure flow being the biomass solution prior to the pre-treatment process, such as a means to further increase the energy balance of the biomass conversion process.
Com referência à Figura 9 é outra modalidade que aprimora adi-cionalmente o balanço de energia transformando o processo de destilaçãotradidional para o processo de biocombustível (especificamente etanol) emuma etapa produtora de energia tendo maiores eficiências do que as plantasde força de eletricidade de ciclo único tradicionais. O etanol não-desidratado/não-anídrico "EtOH" 780 é preferencialmente bombeado 550para uma pressão acima da pressão supercrítica de no mínimo um doscomponentes dentro da solução de EtOH e H20. A solução 780 é preaque-cida 390 a partir da energia térmica recuperada do vapor água/líquido 540isolado por meios de conhecimento na técnica incluindo nanofiltração 60 esubseqüentemente aquecida por uma fonte de calor do segundo estágio360. O fluido combinado está agora operando no modo de um ciclo OrganicRankine de solução binária tendo uma eficiência operacional prevista decerca de 30% enquanto produzindo simultaneamente fluido supercrítico dealta pressão puro EtOH 785 que é expandido através de um dispositivo deenergia 70 e adicionalmente evaporado 510, preferencialmente pelo evapo-rador da supracitada bomba de calefação de absorção.Referring to Figure 9 is another embodiment that further enhances the energy balance by transforming the traditional distillation process for the biofuel process (specifically ethanol) into an energy producing step having higher efficiencies than traditional single-cycle power plants. . The non-dehydrated / non-anhydrous ethanol "EtOH" 780 is preferably pumped 550 to a pressure above the supercritical pressure of at least one of the components within the EtOH and H2 O solution. Solution 780 is prequalified 390 from the thermal energy recovered from water / liquid vapor 540 isolated by those of skill in the art including nanofiltration 60 subsequently heated by a second stage heat source360. The combined fluid is now operating in the mode of an OrganicRankine binary solution cycle having a predicted operating efficiency of about 30% while simultaneously producing pure high pressure supercritical fluid EtOH 785 which is expanded through an energy device 70 and further evaporated 510, preferably by evaporator of the aforementioned absorption heating pump.
Ainda outra modalidade é a infusão de no mínimo um aditivo defluido de trabalho selecionado entre o grupo consistindo em monômeros,polímeros solubilizados em no mínimo um fluido de trabalho, nas microsfe-ras, e pós em nanoescala tendo medida de partícula menor do que 100 na-nômetros. Os aditivos particularmente preferenciais consistem adicionalmen-te de enzimas imobilizadas, catalisadores imobilizados, ou combinações dosmesmos. É obtida distribuição de aditivo superior misturando a solução debiomassa com aditivos por no mínimo um misturador de intensificação doprocesso incluindo dispositivos de cavitação hidrodinâmica, disco de repu-15 xamento, e tubo de repuxamento dentro de tubo. A utilização de microsferasserve a múltiplos propósitos incluindo imobilização das enzimas para fácilreuso e recuperação das enzimas, redução da aglomeração de sólidos dabiomassa pós-pré-tratamento, redução da densidade do nanocomposto en-quanto se aumenta a força polimérica. Os sólidos da biomassa resultante, o20 mais notavelmente celulose, são adicionalmente processados em polímeros,copolímeros, ou copolímeros em bloco.Still another embodiment is the infusion of at least one working fluid additive selected from the group consisting of monomers, polymers solubilized in at least one working fluid, microspheres, and nanoscale powders having a particle size of less than 100 µm. -meters. Particularly preferred additives further comprise immobilized enzymes, immobilized catalysts, or combinations thereof. Superior additive distribution is achieved by mixing the slurry-additive solution with additives by at least one process intensifying mixer including hydrodynamic cavitation devices, grinding disc, and draw tube within the tube. The use of multipurpose microsferasserve including enzyme immobilization for easy reuse and enzyme recovery, reduction of post-treatment biomass solids agglomeration, reduction of nanocomposite density while increasing polymeric strength. The resulting biomass solids, most notably cellulose, are further processed into polymers, copolymers, or block copolymers.
Seqüestração de Dióxido de Carbono - Outra característica dosistema de conversão de biomassa da invenção é o subseqüente processa-mento do dióxido de carbono dessorvido pós expansão, como um meio para25 seqüestrar o subproduto de dióxido de carbono incluindo meio para polimeri-zação de dióxido de carbono ou síntese de carbonato. Utilizando o dióxidode carbono dessorvido, o qual permanece um fluido de transferência térmicade alta pressão, continua a ter tensão superficial relativamente baixa permi-tindo que ocorram reações químicas dentro de um microrreator.30 Fluidos de Trabalho Supercríticos - Ainda outra característicasCarbon Dioxide Sequestration - Another feature of the biomass conversion system of the invention is the subsequent processing of post-expansion desorbed carbon dioxide as a means to sequester carbon dioxide by-product including carbon dioxide polymerization media. or carbonate synthesis. Using desorbed carbon dioxide, which remains a high-pressure thermal transfer fluid, continues to have relatively low surface tension allowing chemical reactions to occur within a microreactor.30 Supercritical Working Fluids - Yet Another Characteristic
do sistema de conversão de biomassa é a utilização de soluções binárias emesmo ternárias, reconhecidas na técnica, tendo a capacidade de penetrarem regiões por meio do que os componentes da solução variam da faixamiscível, parcialmente miscível, até imiscível. Estas variações permitem mé-todos de baixa energia para separar a solução dentro da faixa imiscível sim-plesmente decantando, centrifugando, ou isolando de outro modo os com-5 ponentes fluidos imiscíveis. Métodos de transição entre a faixa miscível aimiscível são realizados variando no mínimo um parâmetro selecionado en-tre o grupo consistindo em pressão e temperatura. Deste modo o ScC02, oqual é fluido de transferência térmica preferencial é isolado da solução debiomassa, para utilização dentro do ciclo termodinâmico como um meio para10 produzir calor, esfriamento, potência, ou combinações dos mesmos com aintegração inventiva do processo de conversão de biomassa com um siste-ma de bomba de calefação de absorção de ScC02. Um fluido de trabalhopreferencial para o ciclo termodinâmico de absorção é um líquido iônico,embora um ciclo de absorção/dessorção de ciclagem de fundo integrada15 seja realizado de modo eficaz utilizando fluidos binários consistindo em nomínimo materiais selecionados entre o grupo consistindo em líquidos orgâni-cos, alcoóis, amônia, água, dióxido de carbono, cloreto/brometo de lítio oucombinações dos mesmos.One of the biomass conversion system is the use of even ternary binary solutions, recognized in the art, having the ability to penetrate regions whereby the components of the solution range from lowly miscible to partially miscible. These variations allow low-energy methods to separate the solution within the immiscible range by simply decanting, centrifuging, or otherwise isolating the immiscible fluid components. Transition methods between the miscible and miscible range are performed by varying at least one parameter selected from the group consisting of pressure and temperature. Thus ScCO2, which is the preferred heat transfer fluid, is isolated from the biomass solution for use within the thermodynamic cycle as a means to produce heat, cooling, power, or combinations thereof with the inventive integration of the biomass conversion process with one. ScC02 absorption heating pump system. A reference working fluid for the thermodynamic absorption cycle is an ionic liquid, although an integrated background cycling absorption / desorption cycle15 is effectively performed using binary fluids consisting of at least materials selected from the group consisting of organic liquids, alcohols, ammonia, water, carbon dioxide, lithium chloride / bromide or combinations thereof.
Alguns fluidos binários particularmente preferenciais são fluidos20 supercríticos. A pressão máxima da solução de biomassa supercrítica estásignificantivamente em excesso de 12,9 MPa (600 psia). A elevada pressãolateral é um mínimo de 9,65 MPa (1400 psia) quando a composição binária éacetato de isobutila ou acetato de amila. A pressão especificamente prefe-rencial é até 34,47 MPa (5.000 psia) para líquidos iônicos que têm estabili-25 dade térmica até 450 graus Celsius.Some particularly preferred binary fluids are supercritical fluids. The maximum pressure of the supercritical biomass solution is significantly in excess of 12.9 MPa (600 psia). The high lateral pressure is a minimum of 9.65 MPa (1400 psia) when the binary composition is isobutyl acetate or amyl acetate. Specifically preferred pressure is up to 34.47 MPa (5,000 psia) for ionic liquids having thermal stability up to 450 degrees Celsius.
Com referência à Figura 2, a inclusão adicional de água 120,especialmente ao operar em uma pressão máxima em excesso da pressãosupercrítica requerida para água, permite o benefício adicional de aumenta-da taxa de conversão em combustíveis. Portanto uma solução de biomassa30 especificamente preferencial 10 consiste em no mínimo fluidos selecionadosentre o grupo consistindo em líquidos iônicos, dióxido de carbono, e água.Um modo de implementação preferencial é a mistura do dióxido de carbonosupercrítico, líquido iônico, e biomassa com a água supercrítica dentro deum trocador de calor de microcanais 130. A utilização do trocador de calorde microcanais geralmente minimiza o tamanho de partícula da celuloseprecipitada para menos de cerca de 10 micra. Os produtos da reação são5 então opcionalmente separados imediatamente depois do reator de micro-canais por métodos de separação conhecidos na técnica 60. Outro processode separação subseqüente ocorre depois do primeiro estágio de extração deenergia 70, o qual em seguida passa através de uma extração de energia 70que neste caso é idealmente um trocador de pressão. O ScC02 dessorvido10 é seqüestrado 160 e adicionalmente processado em uma modalidade prefe-rencial em um co-produto adicionado de alto valor sendo transformado qui-micamente dentro de um misturador/reator de microcanais de alta produtivi-dade (a.k.a. misturador/reator de intensificação do processo) 170. Alternati-vamente ou imediatamente antes do trocador de calor de microcanais está a15 mistura do dióxido de carbono supercrítico, líquido iônico, e biomassa com aágua supercrítica por cavitação hidrodinâmica, a qual também tem benefíciode misturar intimamente virtualmente instantaneamente.Referring to Figure 2, the additional inclusion of water 120, especially when operating at a maximum pressure in excess of the required supercritical pressure for water, allows the additional benefit of increased fuel conversion rate. Therefore a specifically preferred biomass solution 30 consists of at least fluids selected from the group consisting of ionic liquids, carbon dioxide, and water. A preferred embodiment is the mixture of supercritical carbon dioxide, ionic liquid, and biomass with supercritical water. within a microchannel heat exchanger 130. Using the microchannel heat exchanger generally minimizes the particle size of the precipitated cellulose to less than about 10 microns. The reaction products are then optionally separated immediately after the micro channel reactor by separation methods known in the art 60. Another subsequent separation process occurs after the first energy extraction stage 70, which then passes through an energy extraction That in this case is ideally a pressure changer. Desorbed ScC0210 is sequestered 160 and further processed in a preferred embodiment into a high value added co-product being transformed chemically into a high throughput microchannel mixer / reactor (aka mixer / booster). 170. Alternatively or immediately before the microchannel heat exchanger is a mixture of supercritical carbon dioxide, ionic liquid, and biomass with hydrodynamic cavitation supercritical water, which also has the benefit of mixing intimately virtually instantaneously.
Integração do Ciclo de Absorção - A solubilização da biomassaem uma temperatura não excedendo 60 graus Celsius permite que o absor-20 vedor seja "resfriado" pela biomassa em temperatura ambiente como ummeio para aumentar a eficiência do lado de baixa temperatura e baixa pres-são do sistema de absorção. Criando os referidos sistemas de absorção deefeito de múltiplos estágios, conforme de conhecimento na técnica, reforçaadicionalmente tanto a eficiência da bomba de calefação de absorção quan-25 to o processo de conversão de biomassa para combustível.Absorption Cycle Integration - Solubilization of biomass at a temperature not exceeding 60 degrees Celsius allows the absorber to be "cooled" by the biomass at room temperature as a means to increase the efficiency of the low temperature and low pressure side of the biomass. absorption system. Creating such multistage effect absorption systems, as is well known in the art, further enhances both the efficiency of the absorption heating pump and the process of converting biomass to fuel.
A integração adicional do ciclo de absorção e a solução de pro-cesso de pré-tratamento da biomassa permite a expansão da solução debiomassa para não somente obter rápido esfriamento para a extinção sub-seqüente da reação de hidrólise, mas também a extração de energia concor-30 rente (a qual pode ser ou mecânica ou elétrica através de métodos conheci-dos na técnica de geração de força). A solução é rapidamente extinta por nomínimo uma etapa do processo selecionado entre o grupo consistindo noprocessamento seqüencial de cavitação hidrodinâmica e expansão da solu-ção de biomassa supercrítica, expansão seqüencial da solução de biomassasupercrítica para abaixo da pressão supercrítica da água seguida pela etapade expansão da solução de biomassa supercrítica para abaixo da pressão5 supercrítica do dióxido de carbono. Uma etapa opcional para realizar se-qüestração de dióxido de carbono pode ser obtida em vários pontos do inícioao fim do sistema de conversão de biomassa (um ponto de seqüestraçãosemelhante é depois da expansão da solução de biomassa para abaixo doponto no qual existe um componente de vapor d'água significativo, o qual é10 largamente uma função da etapa pós-ScC02 conforme de conhecimento natécnica variando de reações químicas produzindo produtos de carbonato atépolimerização. A introdução do estágio de expansão intermediário permiteque a água seja isolada da solução de biomassa como um meio adicionalpara controlar a taxa de conversão da biomassa para combustível.15 A separação dos componentes dentro da solução de biomassa éFurther integration of the absorption cycle and the biomass pretreatment process solution allows the expansion of the biomass solution to not only achieve rapid cooling for subsequent sequencing of the hydrolysis reaction, but also concurrent energy extraction. It can be either mechanical or electrical by methods known in the force generation technique. The solution is rapidly quenched by at least one process step selected from the group consisting of sequential hydrodynamic cavitation processing and supercritical biomass solution expansion, supercritical biomass solution expansion below the supercritical water pressure followed by the solution expansion step. supercritical biomass to below the supercritical pressure5 of carbon dioxide. An optional step for carbon dioxide sequestration can be obtained at various points from the beginning to the end of the biomass conversion system (a similar sequestration point is after expansion of the biomass solution below the point where there is a vapor component significant water, which is largely a function of the post-ScCO2 step as is known by the art ranging from chemical reactions producing carbonate products to polymerization.The introduction of the intermediate expansion stage allows water to be isolated from the biomass solution as an additional means for control the conversion rate of biomass to fuel.15 Separation of components within the biomass solution is
realizada por meios incluindo no mínimo um método selecionado entre ogrupo consistindo em nanofiltração, decantação de componentes da soluçãoimiscíveis, ou combinações dos mesmos. Cada estágio de expansão tem ainclusão adicional de dispositivos de extração de energia para produzir ener-20 gia mecânica ou elétrica e/ou precedido respectivamente por meios de filtra-ção conforme de conhecimento na técnica.performed by means including at least one method selected from the group consisting of nanofiltration, decantation of immiscible solution components, or combinations thereof. Each expansion stage has the additional inclusion of energy extraction devices to produce mechanical or electrical energy and / or preceded respectively by filtration means as is known in the art.
Um plano de ação típico é mostrado na Figura 4 que revela asmúltiplas áreas onde fluidos de transferência de calor através de trocadoresde calor estão em comunicação de fluidos entre uma processo de pré-25 tratamento de conversão de combustível de biomassa e um sistema debomba de calefação de absorção. A série de etapas tendo transferência decalor incluem: a) biomassa é combinada com líquido iônico em uma soluçãode biomassa 300; b) Etapa de pré-tratamento incluindo aumentar a tempera-tura e a pressão da solução por meios térmicos 310; c) Recuperação de ca-30 Ior 320 da solução de pós-pré-tratamento utilizada como no mínimo o primei-ro estágio de proporcionar energia térmica (fonte térmica 360) para o gera-dor da bomba de calefação de absorção 380; d) Expansão através do dispo-sitivo de extração de energia 330 da solução de pré-tratamento seguida porfiltração/separação dos subprodutos 60, as quais podem ser alternativamen-te antes da etapa de expansão; e e) Recuperação de calor 350 do produtofinal da solução de biomassa do pré-tratamento através de um trocador de5 calor como um sorvedouro de calor 420 o qual é utilizado para pré-irradiaçãotérmica da biomassa como um meio para reduzir os requisitos da energiatérmica, e adicionalmente preaquecimento da biomassa a partir da energiatérmica recuperada do absorvedor da bomba de calefação de absorção 410o qual também inclui calor de absorção além da energia térmica transferida10 durante o dispositivo de evaporador de esfriamento de absorção/expansãode energia 70 transferida através de um sorvedouro de calor trocador de ca-lor 370 de conhecimento na técnica. Bombas de calefação de absorção, con-forme de conhecimento na técnica, têm uma série de trocadores de calorpara recuperação de calor 390 como um meio para aumentar o Coeficiente15 de Performance de Esfriamento, incluindo pré-esfriamento do gás dessorvi-do com recuperação de calor para forte preaquecimento da solução antes deatingir o gerador 380.A typical action plan is shown in Figure 4 which reveals the multiple areas where heat transfer fluids via heat exchangers are in fluid communication between a biomass fuel conversion pretreatment process and a heat exchanger pump system. absorption. The series of steps having heat transfer include: a) biomass is combined with ionic liquid in a 300 biomass solution; (b) pre-treatment step including increasing the temperature and pressure of the solution by thermal means 310; (c) recovery of ca-30 Ior 320 from the after-treatment solution used as at least the first stage of providing thermal energy (thermal source 360) to the absorption heat pump generator 380; d) Expansion through the energy extraction device 330 of the pretreatment solution followed by filtration / separation of the by-products 60, which may alternatively be prior to the expansion step; (ee) Heat recovery 350 of the final pretreatment biomass solution product through a 5 heat exchanger as a heat sink 420 which is used for thermal pre-irradiation of biomass as a means to reduce thermal energy requirements, and additionally preheating the biomass from the heat recovery from the absorption heat pump absorber 410 which also includes absorption heat in addition to the thermal energy transferred10 during the energy absorption / expansion cooling evaporator device 70 transferred through a heat exchanger heat exchanger. heat 370 of knowledge in the art. Absorption heat pumps, as known in the art, have a number of 390 heat recovery heat exchangers as a means to increase the Coefficient of Cooling Performance 15, including heat recovery desorbed gas pre-cooling. for strong preheating of the solution before the generator 380 is hit.
Outro plano de ação típico é mostrado na Figura 5 que tambémrevela as múltiplas áreas onde fluidos de transferência de calor através de20 trocadores de calor estão em comunicação de fluidos entre um processo depré-tratamento de conversão de combustível de biomassa e um sistema debomba de calefação de absorção. A série de etapas tendo transferência decalor incluem: a) Biomassa é combinada com líquido iônico em uma soluçãode biomassa 300 depois de ser preaquecida por calor removido do absorve-25 dor do ciclo termodinâmico de calor de absorção 410 através de trocador decalor de recuperação de calor (sorvedouro de calor 420); b) Etapa de pré-tratamento incluindo primeiro estágio de aumentar adicionalmente a tempe-ratura e a pressão da solução por meios térmicos 370 e outro processamen-to catalítico ou enzimático como um meio para transformar a biomassa em30 uma série de subprodutos conforme de conhecimento na técnica para con-versão final para combustível; c) A temperatura da solução de biomassa éadicionalmente aumentada por meios térmicos 360 para dentro do gera-dor/dessorvedor 380; d) subprodutos do pré-tratamento da biomassa sãoisolados 60 do ScC02 dessorvido utilizando meios de conhecimento na téc-nica; e) recuperação de calor 390 do ScC02 dessorvido, o qual serve comopré-esfriamento do ScC02 subseqüentemente transferindo a energia térmica5 para o segundo estágio de preaquecimento da solução de biomassa dentrodo processo de pré-tratamento 310; e o ciclo termodinâmico de absorção écompletado através de um estágio de expansão em que o ScC02 converte aenergia térmica para energia mecânica ou elétrica através de dispositivo deextração de energia 70 conforme de conhecimento na técnica.10 A integração adicional de concentração solar e painel plano co-Another typical action plan is shown in Figure 5 which also reveals the multiple areas where heat transfer fluids through 20 heat exchangers are in fluid communication between a biomass fuel conversion pre-treatment process and a heat exchange pump system. absorption. The series of steps having heat transfer include: a) Biomass is combined with ionic liquid in a biomass solution 300 after being preheated by heat removed from the absorber of the thermodynamic absorption heat cycle 410 through the heat recovery decal exchanger. (heat sink 420); b) Pretreatment step including first stage of further increasing the temperature and pressure of the solution by thermal means 370 and other catalytic or enzymatic processing as a means of transforming biomass into 30 a number of by-products as is known in the art. technique for final conversion to fuel; c) The temperature of the biomass solution is further increased by thermal means 360 into the generator / desorbent 380; (d) by-products of isolated biomass pretreatment 60 of desorbed ScCO2 using means of knowledge in the art; e) heat recovery 390 from the desorbed ScC02, which serves as pre-cooling of the ScC02 subsequently transferring the thermal energy5 to the second preheat stage of the biomass solution in the pretreatment process 310; and the thermodynamic absorption cycle is completed through an expansion stage where the ScC02 converts thermal energy to mechanical or electrical energy through an energy extraction device 70 as known in the art.10 The additional integration of solar concentration and flat panel co
mo uma fonte térmica com a solução de biomassa supercrítica e uma etapafotocatalítica, tal como incluindo Ciba® TINOLUX® BBS em um concentradorsolar supercrítico (ou painel plano solar supercrítico) produz um sistema fo-tocatalítico altamente eficaz e reactivo. O resultado é um sistema fotovoltáico15 híbrido e combustível de biomassa, sem ser limitado pela teoria, que obtéma alta eficiência de conversão de elétrons localizados para realizar degrada-ção de oxidação da biomassa.A thermal source with the supercritical biomass solution and a bio-catalytic step, such as including Ciba® TINOLUX® BBS in a supercritical solar concentrator (or supercritical flat solar panel) produces a highly effective and reactive photocatalytic system. The result is a hybrid photovoltaic system15 and biomass fuel, without being bound by theory, which achieves high efficiency of localized electron conversion to perform degradation of biomass oxidation.
Um líquido iônico típico para o sistema de conversão de biomas-sa da invenção é o uso do mesmo líquido iônico utilizado no estudo de ama-20 durecimento da fruta por espectroscopia por CRMN de alta resolução:" 'greerí solvents meet green bananal de Diego A. Fort, Richard P. Swatlos-ki, Patrick Moyna, Robin D. Rogers, e Guillermo Moyna, recebido (em Co-lumbia, MO, EUA) em 23 de outubro de 2005, aceito em 15 de dezembro de2005, e primeiro publicado como um Artigo Adiantado na web em 19 de ja-25 neiro de 2006 em que polpas de banana em qualquer estágio de foram com-pletamente dissolvidas, que é no cloreto de IL 1-n-butil-3-metilimidazólio([C4mim]CI. ILs são capazes de dissolver carboidratos variando deste sim-ples açúcares até polissacarídeos. Sem ser limitado pela teoria, os íons clo-reto não hidratados solvatam carboidratos formando ligações de hidrogênio30 com seus grupamentos oxidrila que por sua vez rompem a rede de ligaçãode hidrogênio intermolecular complexa presente em muitos polissacarídeose promovem sua dissolução.Co-produtos de Alto Valor - Outra modalidade consiste em ummeio para alterar a composição da fração de proteína dentro da solução debiomassa. Particularmente a fração de proteína é preferencialmente hidroli-sada em peptídeos e aminoácidos de cadeia ramificada.A typical ionic liquid for the biome conversion system of the invention is the use of the same ionic liquid used in the study of ama-20 fruit hardening by high resolution CRMN spectroscopy: "greerí solvents meet green banana from Diego A Fort, Richard P. Swatlos-ki, Patrick Moyna, Robin D. Rogers, and Guillermo Moyna, received (in Columbia, MO, USA) on October 23, 2005, accepted December 15, 2005, and first published. as an Advance Article on the web on January 19, 2006, in which banana pulps at any stage have been completely dissolved, which is in IL-1-n-butyl-3-methylimidazolium chloride ([C4min] CI ILs are capable of dissolving carbohydrates ranging from simple sugars to polysaccharides Without being bound by theory, unhydrated clio rect ions solvate carbohydrates by forming hydrogen bonds30 with their oxyhydryl clusters which in turn break the intermolecular hydrogen bonding network compl It is present in many polysaccharides and promotes their dissolution. High Value Co-products - Another embodiment is a means of altering the composition of the protein fraction within the mass solution. Particularly the protein fraction is preferably hydrolysed into branched chain peptides and amino acids.
Um processo particularmente preferencial de pré-tratamento o-corre em temperaturas onde a fração de proteína da solução de biomassa ésubmetida a mínima desnaturação. A utilização de enzimas para hidrolisarsimultaneamente celulose, hemicelulose, e Iigninacelulose com hidrólise deproteína é uma abordagem única. O processamento de proteínas para hidro-10 Iisados de proteína, aminoácidos livres ou peptídeos quando combinado commediadores de transferência de elétrons serve a finalidade dupla de reduziro amargor dos hidrolisados de proteína, aminoácidos livres, ou peptídeosresultantes depois de servir a finalidade de reforçar a taxa de hidrólise du-rante o processo de pré-tratamento. Esta finalidade dupla tem a vantagem15 adicional de não requerer extração do mediador de transferência de elétrons,quando o referido mediador de transferência de elétrons é um ingrediente degrau alimentar.A particularly preferred pretreatment process is at temperatures where the protein fraction of the biomass solution is subjected to minimal denaturation. The use of enzymes to simultaneously hydrolyze cellulose, hemicellulose, and ligninacellulose with protein hydrolysis is a unique approach. Protein processing for hydro-10 Protein lysates, free amino acids or peptides when combined with electron transfer mediators serves the dual purpose of reducing bitterness in protein hydrolysates, free amino acids, or resulting peptides after serving the purpose of enhancing the rate of protein. hydrolysis during the pre-treatment process. This dual purpose has the added advantage of not requiring extraction of the electron transfer mediator when said electron transfer mediator is a food step ingredient.
O método especificamente preferencial para processar uma so-lução de biomassa consiste adicionalmente de aditivos de redução do amar-20 gor tendo tanto a capacidade de reduzir o sabor amargo dos peptídeos eaminoácidos livres, quanto de aumentar a taxa de no mínimo uma reaçãoselecionada entre o grupo consistindo em hidrólise de celulose, hidrólise deproteína, hidrólise de ligninacelulose, redução eletroquímica de subprodutosde conversão de biomassa incluindo dióxido de carbono, biodigestão eletro-25 química, e oxidação eletroquímica de solução de biomassa. Aditivos de du-pla finalidade adicionais (aditivos de redução do amargor e de reforço daconversão de biomassa) incluem trealose (proporcionam estabilidade térmi-ca a enzimas e proteínas), mediadores de transferência de elétrons, doado-res de elétrons incluindo ácido lático, íons minerais selecionados entre o30 grupo consistindo em cálcio, ferroso, cúprico, manganoso e magnésio (refor-çando a transferência de elétrons e impactando receptores de sabor).A fonte de biomassa é uma matéria-prima selecionada entre o grupo consis-tindo em grão seco de destilador com solúveis, milho, capim, aveia, e arroz.The specifically preferred method for processing a biomass solution further comprises bitterness reducing additives having both the ability to reduce the bitter taste of free amino acids and peptides and to increase the rate of at least one selected reaction between the group. consisting of cellulose hydrolysis, protein hydrolysis, ligninacellulose hydrolysis, electrochemical reduction of biomass conversion byproducts including carbon dioxide, electrochemical chemical digestion, and electrochemical oxidation of biomass solution. Additional dual purpose additives (bitter reducing and biomass conversion enhancing additives) include trehalose (provide thermal stability to enzymes and proteins), electron transfer mediators, electron donors including lactic acid, ions minerals selected from the 30 group consisting of calcium, ferrous, cupric, manganous and magnesium (enhancing electron transfer and impacting taste receptors) .The biomass source is a raw material selected from the group consisting of dry grain of distillers with solubles, corn, grass, oats, and rice.
Ainda outra modalidade é o isolamento de frações de proteínapossibilitando que sistemas de filtração de membrana operem de modo efi-caz em pressões maiores do que a pressão do design da membrana comoum meio para aumentar a eficiência do isolamento. Portanto o sistema defiltração de membrana consiste adicionalmente de um detector/controladorpara manter a pressão através de uma membrana de microfiltração ou nano-filtração como um meio para isolar frações de proteína incluindo hidrolisadosde proteína, aminoácidos, e peptídeos em que a pressão através da mem-brana de microfiltração ou nanofiltração é um diferencial de pressão, e emque o diferencial de pressão é menor do que a pressão operacional máximada membrana de microfiltração ou nanofiltração.Still another embodiment is the isolation of protein fractions enabling membrane filtration systems to operate effectively at pressures greater than the pressure of the membrane design as a means to increase the insulation efficiency. Therefore the membrane filtration system additionally consists of a detector / controller to maintain pressure across a microfiltration membrane or nanofiltration as a means for isolating protein fractions including protein hydrolysates, amino acids, and peptides wherein the pressure across the membrane. Microfiltration or nanofiltration membrane is a pressure differential, and where the pressure differential is less than the maximum operating pressure of the microfiltration or nanofiltration membrane.
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