BR102012007299A2 - Arranjo energético e reaproveitamento de efluentes para a produção conjunta e eficiente de etanol de primeira e segunda geração - Google Patents

Abstract

ARRANJO ENERGÉTICO E REAPROVEITAMENTO DE EFLUENTES PARA A PRODUÇÃO CONJUNTA E EFICIENTE DE ETANOL DE PRIMEIRA E SEGUNDA GERAÇÃO. A presente invenção se refere a um arranjo energeticamente eficiente com reaproveitamento de efluentes para a produção de etanol e produtos afins a partir de biomassas lignocelulósicas (etanol de segunda geração - 2G), em especial bagaço e palha de cana-de-açúcar, mas não limitado a elas, integrado a processos convencionais de produção de etanol (etanol de primeira geração - 1G) como , por exemplo, a partir de caldo e/ou melaço de ana (processo tipicamente brasileiro, seja em usinas de açúcar e etanol ou destilarias autônomas), milho, cereal,trigo, sorgo sacarino, beterraba branca, dentre outros. Mais especificamente, este arranjo se refere a um processo integrado para produção de etanol e produtos afins com aumento de eficiência no uso da matéria-prima, vapor, energia elétrica e água tratada, principalmente.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Arranjo Energético ε Reaproveitamento de Efluentes para a Produção Conjunta ε Eficiente de Etanol de Primeira ε

Segunda Geração

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Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um arranjo energeticamente eficiente com reaproveitamento de efluentes para a produção de etanol e produtos afins a partir de biomassas lignocelulósicas (etanol de segunda geração - 2G), em especial bagaço e palha de cana-de-açúcar, mas não limitado a elas, integrado a processos convencionais de produção de etanol (etanol de primeira geração - 1G) como, por exemplo, a partir de caldo e/ou melaço de cana (processo tipicamente brasileiro, seja em usinas de açúcar e etanol ou destilarias autônomas), milho, cereal, trigo, sorgo sacarino, beterraba branca, dentre outros. Mais especificamente, este arranjo se refere a um processo integrado para produção de etanol e produtos afins com aumento de eficiência no uso da matéria-prima, vapor, energia elétrica e água tratada, principalmente.

Antecedentes da Invenção

O grande potencial de utilização de biomassas para produção de etanol

vem sendo demonstrado ao redor do mundo no decorrer dos anos, fazendo-se uso de diferentes configurações tecnológicas e a partir da utilização dos mais diversos tipos de biomassa, a saber: cultivares como plantas C4 - pertencentes aos gêneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, e combinações dos mesmos; bagaço de cana-de-açúcar (oriundo de moenda e/ou difusor); palha de cana-de-açúcar (resultante do processo de colheita da cana, manual ou mecanizado); palha de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada, aveia, milho e similares (e.g. capim-elefante "switchgrass"); madeira; troncos e talos de bananeira; cactáceas; papelão, serragem, jornal; resíduos agroindustriais ou municipais e combinações dos mesmos. No Brasil, o negócio da cana-de-açúcar é tão antigo quanto a própria colonização do país (1532), ano da introdução das primeiras mudas do produto, embora venha se reinventando com novas tecnologias e novos mercados cada vez mais relevantes para o agronegócio e energia do país. Há mais de 500 anos, o Brasil utiliza apenas um terço do poder

energético da cana - o caldo - para fazer açúcar e álcool. Atualmente, é possível falar em aumento da produtividade e redução de custos da cadeia bioenergética, sobretudo quando se fala em cana-de-açúcar, não apenas através de avanços graduais das tecnologias em uso, mas também mediante o advento de algumas tecnologias em desenvolvimento, caso típico da tecnologia para produção de etanol de segunda geração, que possibilitarão o uso em larga escala dos outros dois terços da planta que são a biomassa formada pelo bagaço e pelas pontas da planta.

A produção e o uso do etanol no Brasil são hoje o melhor exemplo (no mundo) da introdução de energia renovável com uma grande escala de produção. Isso significa dizer que partindo da produção estabelecida de açúcar, foi possível propor um processo completo de integração das produções nas usinas através da grande flexibilidade das unidades anexas (e com operação de autônomas), o que resultou em significativas reduções nas perdas de processo. Essa estratégia exigiu extenso desenvolvimento tecnológico (geração, importação, adaptação e transferência de tecnologias) na produção (agrícola e industrial), na logística e nos usos finais nos últimos anos.

Baseado neste aprendizado, o presente documento propõe um arranjo tecnológico otimizado que permite a instalação de uma planta (tecnologia) para produção de etanol de segunda geração anexa a uma planta convencional (independentemente da matéria-prima processada), considerando uso integral da biomassa (açúcares obtidos por extração de caldo e carboidratos presentes nos resíduos gerados). Esta estratégia possibilitará a ampliação da capacidade produtiva de usinas de açúcar e álcool e também de destilarias autônomas espalhadas pelo mundo, através do aproveitamento de correntes e/ou efluentes disponíveis nas plantas hoje em operação, preservando-se a autossuficiência energética instalada.

O conceito de integração de processos, proposto no início da década de 1980, tem sido empregado principalmente para a otimização do uso da energia e diminuição do impacto ambiental dos processos industriais. Este campo de estudos foi iniciado com trabalhos na área de recuperação de calor, através do conceito de Pinch Point, porém, atualmente, engloba um universo muito mais amplo de possibilidades de integração que vão além do uso da energia. Com base no referido conceito, é objeto da presente invenção a integração dos processos de produção de etanol 1G/2G via aproveitamento de correntes e efluentes gerados no processo 1G para atender parte da demanda energética necessária à operação da planta 2G.

A planta de etanol de segunda geração (2G) a ser integrada à de primeira geração apresentada neste documento é constituída basicamente pelas etapas ilustradas na Figura 1.

A biomassa que entra no processo deve, inicialmente, ser submetida a limpeza prévia para retirada de impurezas (minerais e vegetais) presentes no material que chega ao ambiente industrial. Esta operação é de grande relevância visto que impacta diretamente na qualidade final da matéria-prima que será efetivamente processada, mas, principalmente, por prolongar a vida útil dos equipamentos instalados uma vez que reduz de forma significativa os efeitos danosos relativos à abrasão devido à presença, por exemplo, de areia e pedras, sobretudo após colheita mecanizada. Deste modo, a limpeza da biomassa constitui-se na primeira etapa do processo que aqui se propõe. Diferentes técnicas podem ser usadas nesta etapa como, por exemplo,

filtração, decantação, flotação, sedimentação, moagem, lavagem seguida de filtração, peneiramento e limpeza à seco, dentre outras, mas não limitado a elas.

Após limpeza da biomassa, esta deve seguir para a etapa de pré- tratamento, cujo objetivo principal consiste na remoção de componentes não- celulósicos, predominantemente hemiceluloses, de modo a favorecer a acessibilidade das enzimas à celulose na etapa subsequente de hidrólise. Esta etapa faz-se necessária uma vez que devido às intensas interações da celulose com as hemiceluloses e a Iignina1 o acesso dos diversos agentes/catalisadores químicos (e.g. ácidos e álcalis) e bioquímicos (e.g. enzimas, microrganismos), utilizados nos processos de produção de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas por via fermentativa, torna-se bastante restrito.

Embora muitos métodos de pré-tratamento tenham sido experimentados ao longo dos últimos anos, steam explosion (explosão com vapor), hot water (hidrotermólise), wet alcaline oxidation, wet alcaline perixode oxidation, ammonia fiber oxidation (AFEX), sodium hydroxide fíber oxidation (SHFEX), CO2 explosion e CO2 supercrítico têm emergido como opções bastante promissoras. Em geral, esses métodos fazem uso de vapor d'água, ácido sulfúrico diluído, ácido fosfórico diluído, amônia, hidróxido de cálcio ("lime") e dióxido de enxofre (SO2). Concluída a etapa de pré-tratamento (independentemente da técnica escolhida para tal), o material pré-tratado pode avançar no processo por, basicamente, duas vias: 1) ser diretamente enviado para a etapa de hidrólise ou 2) ser submetido a uma operação de separação sólido-líquido onde o licor de pentoses gerado em decorrência da solubilização das hemiceluloses é separado (mediante, por exemplo, lavagem seguida de filtração, mas não limitado a ela) e as fibras remanescentes (celulose + lignina) enviadas à etapa subsequente de hidrólise. Esta é uma das etapas operacionais mais relevantes em termos de custo direto, além de influenciar consideravelmente os custos das etapas anteriores e subsequentes do processo.

Na hidrólise enzimática, ocorre a conversão da celulose remanescente

na fibra pós pré-tratamento, independentemente do método utilizado para tal, em glicose, por ação de um "pool" de enzimas denominado celulases.

Os processos hidrolíticos, em especial a sacarificação de biomassas lignocelulósicas, ocorrem, geralmente, em meios tamponados ou sob pH controlado, mediante uso de soluções tamponantes, como por exemplo, citrato de sódio e acetato de sódio, ou soluções controladoras de pH como ácidos e bases (e.g. hidróxido de sódio, ácido clorídrico, ácido fosfórico e etc). Neste contexto, o uso de vinhaça ou de qualquer outro resíduo da destilação de vinho fermentado (independentemente de sua procedência ou forma de apresentação - bruta, filtrada, concentrada, etc.) no processo de sacarificação de biomassas lignocelulósicas apresenta diversas vantagens quando comparado aos processos convencionais, mas certamente uma vantagem que merece destaque é a significativa economia no consumo de água na etapa de hidrólise enzimática de biomassas (pré-tratadas ou não), uma vez que a vinhaça pode inclusive substituir toda a água necessária neste processo específico. O uso deste efluente da destilaria 1G na planta de etanol de segunda geração representa um importante ponto de integração entre os processos 1G e 2G, merecendo destaque as seguintes vantagens competitivas: ser altamente eficiente no tamponamento do meio reacional onde ocorre a sacarificação de biomassas lignocelulósicas; ser de custo bem mais acessível que as soluções tamponantes convencionais; estar disponível no próprio ambiente industrial e em grande quantidade, uma vez que para litro de etanol produzido gera-se em torno de 10 a 12 litros de vinhaça; ser rica em nitrogênio (até 1g/L de nitrogênio total em sua composição), que é um macro nutriente de extrema relevância no processo de fermentação; atender a requisitos ambientais, já que permite que um "resíduo" com elevada demanda bioquímica de oxigênio (DBO) seja reaproveitado no processo, evitando a poluição de solos e águas subterrâneas e, finalmente, permitir considerável economia de água no processo. A utilização de vinhaça como agente tamponante no processo de hidrólise enzimática de biomassas lignocelulósicas compreende um pedido de patente de titularidade do Centro de Tecnologia Canavieira - CTC, devidamente depositado no INPI

sob o número Pl 1101295-1.

Em uma realização preferencial, o processo de hidrólise enzimática pode ocorrer sob qualquer configuração selecionada do grupo que compreende SHF (Hidrólise Enzimática e Fermentação Separadas), SSF (Hidrólise Enzimática e Fermentação Simultâneas), SSCF (Hidrólise Enzimática, Fermentação e Co- Fermentação Simultâneas), CBP (Produção de Enzimas, Hidrólise Enzimática e 15

Fermentação Simultâneas), SEPHY (Produção de Enzimas e Hidrólise Enzimática separadas da Fermentação) e combinações das mesmas.

O licor contendo os açúcares fermentescíveis (C6) produzidos na hidrólise é, por fim, separado (mediante técnicas convencionais de separação sólido-líquido) da celulignina residual (lignina concentrada e celulose não convertida no processo hidrolítico) e pode ser diretamente enviado ao setor de fermentação da planta 1G (na forma diluída ou concentrada), conforme ilustrado na Figura 2. Neste processo, é possível operar com ou sem reciclo de células e em modo contínuo, semi-contínuo (batelada alimentada) ou descontínuo

(batelada).

No âmbito do arranjo energético objeto da presente invenção, a alimentação da fermentação convencional com o caldo hidrolisado representa mais um ponto de integração entre os processos 1G e 2G. No caso específico das usinas de açúcar e álcool brasileiras, o caldo hidrolisado pode ser utilizado para diluir o melaço, substituindo parcial ou totalmente a água utilizada nesta operação, até que uma concentração entre 18°Brix e 22°Brix seja atingida. Nas destilarias autônomas, o referido caldo pode ser evaporado antes de ser

enviado à etapa de fermentação.

O parque industrial hoje instalado nas usinas brasileiras utiliza a cana-de-

açúcar para a produção de açúcar e etanol, mediante processos que já

compartilham algumas operações como, por exemplo, a lavagem da cana (com

água ou à seco), o preparo da cana para a moagem ou difusão, a extração do

caldo (que pode ocorrer mediante moagem ou difusão) e purificação/tratamento

do caldo obtido. De forma similar, seria possível também aproveitar resíduos

lignocelulósicos, mas, principalmente, bagaço e palha de cana, para aumentar a

produção de etanol, mediante o processamento destas biomassas de modo

completamente integrado às instalações existentes, sobretudo no tocante à

questão energética. A Figura 3, ilustrada a seguir, apresenta um arranjo para a

produção de etanol de primeira e segunda gerações, que visa perfeita

integração entre as diversas operações de ambos os processos, recuperação

de energia e reaproveitamento de efluentes.

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30 A tecnologia para a produção de etanol de segunda geração no Brasil ainda atravessa um período de maturação e, no momento atual, ainda não dispõe de plantas instaladas e com capacidade relevante em escala comercial. Deste cenário, deriva uma excelente oportunidade para implementação do objeto descrito neste documento, por este proporcionar ganhos significativos relativos ao reaproveitamento energético e de efluentes.

No âmbito patentário, os documentos citados a seguir são referências do estado da técnica no que se refere a esquemas de aproveitamento energético e reutilização de correntes de processo, porém nenhum deles antecipa o arranjo que é objeto da presente invenção.

O documento PI0708266-5 A2 descreve um arranjo para a produção de álcool por destilação com otimização energética utilizando a tecnologia de múltiplo efeito. Neste processo, a alimentação das colunas de destilação é dividida em duas correntes e alimentada em dois conjuntos de colunas, uma de alta pressão e outra de baixa pressão, em conjunto com um refervedor que utiliza a energia térmica do topo de uma coluna para fornecer calor à outra. Este processo demonstra que quando o sistema é adequadamente formatado, é possível recuperar o calor disponível no topo da coluna de retificação B1 mas não aponta aplicações externas à destilaria. A presente invenção difere deste documento por prever a utilização de correntes disponíveis na destilaria, por exemplo, em uma planta anexa para produção do etanol de segunda geração, obedecendo o conceito de integração de processos.

O documento PI0503931-2 A descreve um arranjo para a produção de álcool anidro via "Pressure Swing Adsorption" com otimização energética. Neste processo, parte do calor contido no produto final (Álcool Anidro) é recuperada via integração térmica e compressão mecânica do vapor de álcool anidro, evidenciando que quando o processo é formatado de modo bem estruturado, a recuperação do calor disponível em uma corrente com vapores de álcool é factível. A presente invenção difere por tratar da aplicação da técnica de reaproveitamento de calor de modo específico para a otimização do consumo de vapor na própria tecnologia de desidratação de álcool hidratado, sem, contudo, versar sobre a integração térmica com qualquer outro processo e, principalmente, com a tecnologia de produção do etanol de segunda geração.

O documento US 20120041186 A1 descreve um método e um sistema para a pré-extração de hemicelulose por tratamento por explosão a vapor, de forma contínua. No referido documento, a corrente "flash" gerada no reator de pré-tratamento de explosão tem grande potencial energético para ser utilizada em sistemas de recuperação térmica, embora o referido documento não mencione tais aplicações. A presente invenção difere por não utilizar correntes disponíveis e apropriadas em tecnologias/plantas anexas ou em setores diferentes do mesmo processo, em um conceito de processo integrado, não antecipando assim, o arranjo, o sistema e o fim específico propostos.

O documento WO 2012021950 descreve um processo para a obtenção de uma corrente final de hidrolisada com alto teor de açúcar. O sistema reacional de hidrólise atinge a sua maior eficiência quando a temperatura reacional permanece em torno de 50°C. Depreende desta característica do sistema de hidrólise a necessidade de uma fonte de calor para manter o sistema na temperatura especificada. Entretanto, a referido documento não sugere qualquer estratégia, arranjo, sistema e configuração específicos para se obter energia necessária para o aquecimento e manutenção da temperatura ótima no sistema de hidrólise. A presente invenção difere do referido documento por aproveitar as correntes/efluentes geradas no processo convencional de produção de etanol (independentemente da matéria-prima utilizada para tal) para fornecer a energia necessária para o aquecimento dos reatores de hidrólise e/ou demais equipamentos da planta de etanol 2G. O documento PH101295-1, de titularidade do Centro de Tecnologia

Canavieira (CTC), descreve a utilização da corrente de vinhaça (bruta, filtrada, concentrada, etc.) e/ou de qualquer resíduo do processo de destilação de vinho fermentado como agente tamponante alternativo no processo de hidrólise enzimática de biomassas lignocelulósicas. O reaproveitamento deste e outros efluentes disponíveis nas plantas convencionais de etanol 1G em conjunto com a presente invenção, potencializa os benefícios do processo integrado descrito neste relatório.

O documento PI0904538-4, de titularidade do Centro de Tecnologia Canavieira (CTC)1 apresenta uma técnica para otimizar o tratamento da biomassa vegetal para a produção de carboidratos, etanol e produtos afins, adotando-se uma configuração de processo que minimiza a demanda energética total da unidade industrial, quando comparada a técnicas correntemente empregadas e já consagradas. O referido documento apresenta complementaridade com a presente invenção embora não antecipe o objeto que aqui se reivindica.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

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Sumário da Invenção

A combinação dos processos de primeira e segunda geração para produção de etanol, por exemplo, a partir de cana-de-açúcar, permite obter uma maior quantidade final deste biocombustível, sem aumentar o volume de matéria-prima cultivada nem aumentar a área plantada.

A presente invenção fornece um sistema de integração energeticamente eficiente entre os processos de primeira (1G) e segunda (2G) geração para produção de etanol e produtos afins a partir de biomassas lignocelulósicas, em especial bagaço e palha de cana-de-açúcar, mas não limitado a elas. Também fornece um processo para a produção de etanol oriundo do arranjo da presente invenção.

A integração entre os processos 1G e 2G da presente invenção se dá mediante o aproveitamento de correntes e/ou efluentes presentes no processo de produção de etanol 1G para suprimento de parte da demanda energética da planta de produção de etanol 2G e vice-versa, de modo a proporcionar um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa que chega à indústria.

É objeto da presente invenção um arranjo integrado entre os processos de primeira (1G) e segunda (2G) geração, mediante aproveitamento de correntes e/ou efluentes presentes nos referidos processos, de modo a proporcionar um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, compreendendo as seguintes etapas (referências à Figura 6):

i) Empregar a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa, para gerar vapor no vaso (RF);

ii) Empregar a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1), como fonte de água para gerar vapor no vaso (RF);

iii) Empregar a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1), como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação em (S1) e (S2);

iv) Empregar a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1), como fonte de água quente para os reatores de hidrólise (RH);

v) Empregar a água tratada, corrente (9), para gerar vapor no vaso RF;

vi) Empregar o vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7), para prover energia para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 e da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s);

vii) Empregar o vapor gerado no vaso (RF), corrente (10), para prover energia para o pré-aquecimento da(s) corrente(s) de alimentação do reator (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) Empregar o retorno de todo ou parte do condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

ix) Empregar a corrente alcóolica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) na fase vapor, como fonte de aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa. É um outro objeto da presente invenção um sistema de integração ou arranjo integrado entre os sistemas de primeira (1G) e segunda (2G) geração para produção de etanol e produtos afins contendo os seguintes elementos:

i) meios para conectar a saída do vaso (TF) à entrada do vaso de vapor

(RF);

ii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ao vaso de vapor (RF);

iii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) aos sistemas de separação e recuperação em (S1) e (S2);

io iv) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B

e/ou B1) aos reatores de hidrólise (RH);

v) meios para empregar água tratada para gerar vapor no vaso (RF);

vi) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) à(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 e à(s) coluna(s) de retificação (B

e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s);

vii) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) meios para retornar o condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

ix) meios para empregar a corrente alcóolica (4) da(s) coluna(s) de

retificação (B e/ou B1) na fase vapor como fonte de calor para aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

De preferência, utiliza-se instrumentação e controle no vaso para gerar vapor (RF). Preferencialmente, tais instrumentos são controle de pressão,

controle de nível, controle de vazão e controle de temperatura.

Os ditos "meios" podem ser trocadores de calor tipo casco e tubo e/ou placas, nas suas diversas configurações como, por exemplo, termossifão, "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa.

Em outro aspecto, a presente invenção proporciona um processo para a

produção de etanol que contempla o aproveitamento de energia e efluentes conforme o sistema de integração dos processos de primeira geração e segunda geração da presente invenção onde o custo operacional é reduzido e proporciona um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa. O arranjo otimizado para a produção de etanol, segundo a presente invenção, pode ser preferencialmente aplicado a processos de produção de etanol que possuem as etapas abaixo mencionadas, embora não se limite a eles:

i) Limpar a biomassa;

ii) Pré-tratar a biomassa limpa na presença de vapor;

iii) Hidrolisar enzimaticamente o material pré-tratado;

iv) Separar a solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em Iignina (celulignina) por filtração;

v) Fermentar a solução açucarada obtida após filtração;

vi) Separar o vinho fermentado por centrifugação; e,

vii) Destilar/Desidratar o etanol produzido na fermentação.

Em outro aspecto preferencial da presente invenção, um processo para a produção de etanol fornece o aproveitamento de energia e efluentes conforme o sistema de integração dos processos de primeira geração e segunda geração da presente invenção onde o custo operacional é reduzido e proporciona um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa. O processo compreende as etapas de:

i) Limpar a biomassa com parte da corrente de flegmaça (3) oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente;

ii) Pré-tratar a biomassa limpa na presença de vapor sendo parte do vapor armazenado em um sistema de recuperação de calor;

iii) Separar a solução de ii) para recuperação dos açúcares usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente; iv) Hidrolisar enzimaticamente o material pré-tratado com parte de fonte de aquecimento da retificação do álcool e da limpeza dos fermentadores;

v) Separar a solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em Iignina (celulignina) por filtração usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente;

vi) Fermentar a solução açucarada obtida após filtração com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor

vii) Separar o vinho fermentado por centrifugação com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor; e,

viii) Destilar/Desidratar o etanol produzido na fermentação com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor.

O dito sistema para recuperação de calor pode receber, armazenar e fornecer parte ou a totalidade da energia necessária na produção do etanol de primeira geração. O sistema de recuperação de calor (RF) da Figura 6 pode ser composto por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para seu funcionamento contínuo e estável. Pode ser operado em uma ampla faixa de pressão, mas, preferivelmente, na faixa de 0,8 a 1,5 barg.

Na referida etapa ii), pode-se, adicionalmente, fazer uso de catalisadores químicos e/ou biológicos.

O dito sistema de separação (S1) pode ser por filtração, centrifugação, extração por difusão, entre outros, para recuperação dos açúcares. Em uma realização preferencial, a destilação é o processo de separação comumente utilizado nas plantas produtoras de etanol para destilação do vinho delevedurado para a produção de álcool (hidratado e anidro) e a configuração mais freqüente desse processo nas unidades produtoras de etanol hidratado está ilustrada na Figura 4, por A, A1, D1 B e B1.

Em uma realização preferencial, o processo de destilação é o processo de separação comumente utilizado nas plantas produtoras de etanol para destilação do vinho delevedurado para a produção de álcool (hidratado e anidro) e a configuração mais freqüente desse processo nas unidades produtoras de etanol hidratado está ilustrada na Figura 4, por A, A1, D, B e B1.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra uma ilustração do processo para aproveitamento de

biomassas lignocelulósicas e sua conversão em açúcares fermentescíveis, onde as principais etapas são limpeza (2.1), pré-tratamento (2.2), hidrólise enzimática (2.3) e separação por filtração (2.4) para geração de uma solução de açúcares fermentescíveis (2.5). Também mostra entradas e saídas como biomassa (2), impurezas (5.3), catalisadores químicos/biológicos (2.6), vapor (4.2), açúcares (C5), agente tamponante (2.7), enzimas (2.8) e celulignina.

A Figura 2 apresenta o processo convencional de produção de etanol sendo alimentado com açúcares fermentescíveis (C6) produzidos na hidrólise (processo 2G), seguido pelas etapas posteriores de fermentação (1.1), separação por centrifugação (1.2), destilação/desidratação (1.3), etanol (1.4), vinhaça (4.4), concentração do caldo (1.6) e reciclo de células (1.5).

A Figura 3 mostra uma ilustração de um fluxograma do processo integrado para produção de etanol de primeira geração 1G e segunda geração 2G, mediante reaproveitamento de correntes e efluentes gerados para suprimento da demanda energética do processo global, indicando as etapas do processo integrado como limpeza (2.1), pré-tratamento (2.2), hidrólise enzimática (2.3), separação por filtração (2.4), fermentação (1.1), separação por centrifugação (1.2), destilação/desidratação (1.3), além de seus derivados como solução de açúcares fermentescíveis (2.5) e etanol (1.4). Também mostra entradas e saídas como biomassa (2), impurezas (5.3), catalisadores químicos/biológicos (2.6), vapor (4.2), açúcares (C5), agente tamponante (2.7), enzimas (2.8), celulignina (5.2), condensado (4.3), flegmaça (3), vinhaça (4.4), concentração do caldo (1.6), reciclo de células (1.5) e álcool (4.5).

A Figura 4 mostra a ilustração do processo de destilação de álcool hidratado, sem considerar o reaproveitamento de energia e efluentes, evidenciando as correntes e os equipamentos essenciais desde a alimentação do vinho até a obtenção do produto final (álcool hidratado). Além disso, também são mostrados o sistema de esgotamento (A), epuração de vinho (A1), concentração de álcool de segunda (D), retificação de álcool (B e B1), trocadores de calor (Ε, E1, E2, R e R1), corrente de flegmaça (3), vinho (4.1), vapor (4.2), condensado (4.3), vinhaça (4.4) e o álcool (4.5).

A Figura 5 mostra uma ilustração de um fluxograma simplificado do processo para produção de álcool de segunda geração 2G, sem considerar o reaproveitamento de energia e efluentes. O fluxograma mostra as correntes e os equipamentos essenciais desde a alimentação da biomassa até a obtenção da solução de açúcares fermentescíveis (majoritariamente glicose). Mostra o sistema de separação dos açúcares (S1 e S2), água tratada (1), biomassa (2), vapor de baixa pressão (5.1), vapor "flash" (6), correntes C5 e C6, celulignina (5.2), condensado (4.3) e impurezas (5.3).

A Figura 6 mostra uma ilustração do fluxograma do processo típico para a produção de álcool de primeira e segunda geração, considerando o reaproveitamento de energia e efluentes de acordo com a presente invenção. O fluxograma mostra as correntes e os equipamentos essenciais, preferenciais e opcionais, evidenciando os pontos de reaproveitamento de energia e efluentes entre as plantas de produção de etanol de segunda geração e a planta para a produção de álcool hidratado.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção se refere a um arranjo energético integrado entre os processos de primeira geração e segunda geração para produção de etanol e produtos afins proporcionando aumento de eficiência no uso da matéria-prima, vapor, energia elétrica e água tratada.

Arranjo para integração entre os processos de primeira (1G) e segunda (2G) geração

A presente invenção fornece um arranjo para integração entre os processos de primeira geração 1G e segunda geração 2G, mediante aproveitamento de correntes e/ou efluentes presentes nos referidos processos, de modo a proporcionar um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, contemplando as seguintes etapas (referências à Figura 6):

i) Emprego da energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa, para gerar vapor no vaso (RF); ii) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de

retificação (B e/ou B1), como fonte de água para gerar vapor no vaso (RF);

iii) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1), como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação em (S1) e (S2); iv) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de

retificação (B e/ou B1), como fonte de água quente para os reatores de hidrólise (RH);

v) Emprego da água tratada, corrente (9), para gerar vapor no vaso RF;

vi) Emprego do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7), para prover energia para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração

A1 e da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s);

vii) Emprego do vapor gerado no vaso (RF), corrente (10), para prover energia para o pré-aquecimento da(s) corrente(s) de alimentação do reator (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) Emprego do retorno de todo ou parte do condensado do vapor da

corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

ix) Emprego da corrente alcóolica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) na fase vapor, como fonte de aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

Sistema de integração ou arranjo integrado entre os sistemas de primeira geração 1G e segunda geração 2G

A presente invenção também proporciona um sistema de integração ou arranjo integrado entre os processos de primeira geração 1G e segunda geração 2G para produção de etanol e produtos afins contendo os seguintes elementos: i) meios para conectar a saída do vaso (TF) à entrada do vaso de vapor

(RF);

ii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ao vaso de vapor (RF);

iii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B

e/ou B1) aos sistemas de separação e recuperação em (S1) e (S2);

iv) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) aos reatores de hidrólise (RH);

v) meios para empregar água tratada para gerar vapor no vaso (RF);

vi) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) à(s)

coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 e à(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s);

vii) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) meios para retornar o condensado do vapor da corrente (7), quando

a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

ix) meios para empregar a corrente alcóolica (4) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) na fase vapor como fonte de calor para aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

De preferência, utiliza-se instrumentação e controle no vaso para gerar

vapor (RF). Preferencialmente, tais instrumentos são controle de pressão, controle de nível, controle de vazão e controle de temperatura.

Os ditos "meios" podem ser trocadores de calor tipo casco e tubo e/ou placas, nas suas diversas configurações como, por exemplo, termossifão,

"falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa.

Processo para a produção de etanol

A presente invenção também proporciona um processo para a produção

de etanol que contempla o aproveitamento de energia e efluentes, conforme o sistema de integração dos processos de primeira geração e segunda geração da presente invenção, onde o custo operacional é reduzido e proporciona um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa. O arranjo otimizado para a produção de etanol, segundo a presente invenção, pode ser preferencialmente aplicado a processos de produção de etanol que possuem as etapas abaixo mencionadas, embora não se limite a eles:

i) Limpar a biomassa;

ii) Pré-tratar a biomassa limpa na presença de vapor;

iii) Hidrolisar enzimaticamente o material pré-tratado;

iv) Separar a solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em Iignina (ceiulignina) por filtração;

v) Fermentar a solução açucarada obtida após filtração;

vi) Separar o vinho fermentado por centrifugação; e,

vii) Destilar/Desidratar o etanol produzido na fermentação.

Em outro aspecto preferencial, a presente invenção fornece um processo para a produção de etanol contemplando o aproveitamento de energia e efluentes conforme o sistema de integração dos processos de primeira geração e segunda geração da presente invenção onde o custo operacional é reduzido e proporciona um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa. O processo compreende as etapas de:

i) Limpar a biomassa com parte da corrente de flegmaça (3) oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente;

ii) Pré-tratar a biomassa limpa na presença de vapor sendo parte do vapor armazenada em um sistema de recuperação de calor;

iii) Separar a solução de ii) para recuperação dos açúcares usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente;

iv) Hidrolisar enzimaticamente o material pré-tratado com parte de fonte de aquecimento da retificação do álcool e da limpeza dos fermentadores; ν) Separar a solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em Iignina (celulignina) por filtraçâo usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente;

vi) Fermentar a solução açucarada obtida após filtraçâo com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor

vii) Separar o vinho fermentado por centrifugação com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor; e,

viii) Destilar/Desidratar o etanol produzido na fermentação com parte da io corrente armazenada no sistema de recuperação de calor.

O dito sistema para recuperação de calor pode receber, armazenar e fornecer parte ou a totalidade da energia necessária na produção do etanol de primeira geração. O sistema de recuperação de calor (RF) da Figura 6 pode ser composto por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para seu funcionamento contínuo e estável. Pode ser operado em uma ampla faixa de pressão, mas, preferivelmente, na faixa de 0,8 a 1,5 barg.

Na referida etapa ii), pode-se, adicionalmente, fazer uso de catalisadores químicos e/ou biológicos. O dito sistema de separação (S1) pode ser por filtraçâo, centrifugação,

extração por difusão, entre outros, para recuperação dos açúcares. Em uma realização preferencial, a destilação é o processo de separação comumente utilizado nas plantas produtoras de etanol para destilação do vinho delevedurado para a produção de álcool (hidratado e anidro) e a configuração mais freqüente desse processo nas unidades produtoras de etanol hidratado está ilustrada na Figura 4, por A, A1, D, B e B1.

Na referida etapa ii), pode-se, adicionalmente, fazer uso de catalisadores

químicos e/ou biológicos.

Na Figura 2, os açúcares fermentescíveis são fermentados utilizando-se a infraestrutura instalada nas unidades industriais e o mesmo microrganismo. Após fermentação, o mosto é centrifugado para separação das células, que podem ou não ser recicladas no referido processo, do vinho fermentado. Em seguida, o vinho é enviado ao sistema de destilação para obtenção do produto final, gerando vinhaça como "sub-produto".

Na Figura 3, ocorre a concentração do álcool contido no vinho até os s pontos próximos do azeótropo, uma vez que a solução etanol-água é uma mistura não ideal.

Vale a pena ressaltar que a presente invenção não está limitada ao arranjo descrito a seguir, o qual possui apenas o propósito de referenciar os pontos reivindicados neste documento. Assim, a nomenclatura aqui citada pode mudar em diferentes unidades, indústrias ou países, mas o conceito técnico e a abrangência da presente invenção permanecerão válidos.

O processo convencional mais freqüentemente encontrado nas unidades produtoras de etanol hidratado é a utilização de 5 colunas: A, A1, D, B e B1. Dessas, o conjunto composto pelas colunas A, A1 e D é conhecido como sistema de esgotamento (A), epuração de vinho (A1) e concentração de álcool de segunda (D). Já as colunas B e B1 são mais conhecidas como colunas de retificação de álcool.

A coluna (A) tem a função de retirar do vinho as substâncias de maior volatilidade e os gases dissolvidos no vinho, além de completar o aquecimento da corrente de alimentação. O vinho é alimentado no topo da coluna A1 e a flegma, com concentração mássica de etanol aproximadamente de 40%, é retirada no topo da coluna A. A corrente de topo da coluna A1 é enviada para a coluna D, onde ocorre a concentração das substâncias mais voláteis presentes no vinho. O vapor proveniente do topo da coluna D é condensado nos trocadores Re R1 e uma parte retorna como refluxo, alimentada no topo da coluna D, e outra parte é retirada como álcool de segunda. No fundo da coluna A é retirada uma corrente denominada vinhaça, que embora atualmente seja apenas utilizada como fertilizante, apresenta aplicação mais nobre no âmbito do presente documento. O flegma, oriundo da coluna A, é alimentado na coluna B, na fase vapor, onde algumas impurezas, como óleo fúsel, são removidas. Nesta coluna, o flegma é concentrado até concentração mínima de 92,3% em massa de etanol. O vapor obtido no topo da coluna B é parcialmente condensado no trocador E1 onde ocorre recuperação parcial de calor para o aquecimento do vinho, e, posteriormente, o restante do vapor é condensado nos trocadores E1 e E2. O produto de fundo da coluna B1 é denominado flegmaça e deve conter no máximo 0,02% em massa de etanol. O vapor necessário para destilar o vinho e retificar o álcool é fornecido no fundo das colunas A e B1. O vapor pode ser injetado diretamente na base da coluna por borbotagem, que é o esquema típico quando se utiliza vapor vegetal (0,8 barg) ou por troca indireta, com a aplicação de trocadores de calor, para vapor de escape (1,5 barg). Na Figura 5, a primeira etapa do processo consiste no sistema de

limpeza da matéria-prima "TL", que visa remover impurezas e homogeneizar o material, a fim de torná-lo mais acessível aos tratamentos químicos e/ou biológicos posteriores, bem como proteger os equipamentos de possíveis desgastes mecânicos causados pela presença de impurezas minerais. Este sistema pode apresentar diferentes configurações, ser composto por diferentes equipamentos e utilizar diferentes conceitos para separar as impurezas e adequar a matéria-prima às condições dos processos subsequentes. Dentro do universo de possibilidades de sistemas de limpeza, encontram-se as soluções tecnológicas que empregam um tanque ou equivalente com água limpa e agitação para remover as impurezas e homogeneizar a biomassa na Figura 5.

A etapa seguinte consiste na alteração química e física da biomassa, também chamada de pré-tratamento, com solubilização da fração hemicelulósica. Nesta etapa, vapor de alta ou baixa pressão é alimentado ao reator de pré-tratamento (procedimento comumente chamado de explosão a vapor), contendo biomassa impregnada ou não com catalisadores. Após o tempo de residência desejado, a biomassa tratada é enviada para um tanque de "flash" TF. O vapor gerado nesta etapa, livre das partículas de biomassa, é descartado na atmosfera ou utilizado parcialmente como fonte de calor para o aquecimento de correntes internas do processo de produção de etanol de segunda geração, conforme sugerido na presente invenção. Na seqüência, a biomassa pré-tratada é enviada para um sistema "S1" de separação (filtração, centrifugação, extração por difusão, etc.) para recuperação dos açúcares C5, provenientes da hemicelulose, solubilizados durante o pré-tratamento.

Na seqüência do processo a biomassa pré-tratada é enviada para o sistema de hidrólise enzimática "RH", onde a celulose é majoritariamente convertida em glicose mediante diferentes abordagens que podem incluir tecnologias complexas e/ou multifásicas. A separação dos açúcares (solução de C6) gerados na hidrólise ocorre no sistema "S2", onde diversas tecnologias podem ser aplicadas (filtração, centrifugação, prensagem e etc.). A fase sólida resultante desta etapa pode ser enviada para caldeira ou destinada para outros propósitos comerciais.

Biomassas usadas na presente invenção podem ser descritas como, por exemplo, a partir de caldo e/ou melaço de cana (processo tipicamente brasileiro, seja em usinas de açúcar e álcool ou destilarias autônomas), milho (principal matéria-prima utilizada nos Estados Unidos), cereal e trigo (matérias- primas mais amplamente utilizadas na Europa), sorgo sacarino (muito utilizado na África), beterraba branca (cultivada principalmente nas planícies do entorno de Paris e nas regiões mais ao norte - perto do Canal da Mancha e de países como Bélgica, Luxemburgo e Alemanha), dentre outros.

Na presente invenção, propõe-se o emprego de um sistema para recuperar a energia disponível na corrente de vapor "flash" (6) para fornecer parte ou a totalidade da energia necessária na produção do etanol de primeira geração. O sistema de recuperação de calor RF da Figura 6 é composto basicamente por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para o funcionamento contínuo e estável do referido sistema. As correntes 7 e 10, geradas no referido sistema RF, podem ser empregadas como complemento na rede de vapor já existente na indústria ou utilizadas de forma independente nos equipamentos existentes, através de trocadores de calor ou por injeção direta. O sistema RF1 de acordo com a presente invenção, pode operar em uma ampla faixa de pressão, mas, preferivelmente, na faixa de 0,8-1,5 barg. A energia fornecida na base das colunas de destiiação A e B1 é parcialmente recuperada através do pré-aquecimento do vinho oriundo da fermentação. Esta integração térmica, em média, reaproveita 40% da energia disponível na corrente de topo da coluna de retificação B. Assim, cerca de 60% da energia é transferida para a água de resfriamento e posteriormente para o ambiente, através do sistema de resfriamento.

No arranjo proposto na referida invenção, parte da corrente proveniente do topo de retificação B será enviada para o sistema de hidrólise RH, como fonte de calor para o aquecimento de correntes internas e manutenção da temperatura ótima de reação de hidrólise.

Conforme ilustrado na Figura 4, as correntes de vinhaça (4.4) e flegmaça (3) não eram reutilizadas nos processos convencionais, eram enviadas à lavoura de cana-de-açúcar para a fertirrigação, no caso do Brasil, ou evaporadas, no caso de países com restrição ao emprego da vinhaça como fertilizante. Na presente invenção, a corrente de flegmaça (3), também ilustrada na Figura 6 será utilizada como fonte de água quente e limpa para as etapas de limpeza da biomassa TL, extração da hemicelulose da biomassa pré-tratada S1, extração da glicose da torta de celulignina S2, para corrigir o teor de sólidos no sistema RH e como água de reposição para o sistema RF. Adicionalmente, a presente invenção pode ser complementada pelo

documento Pl 1101295-1, onde a corrente de vinhaça é utilizada como agente tamponante na reação de hidrólise enzimática da biomassa. EXEMPLO

Aqui será ilustrado um exemplo preferencial da presente invenção, mas sem, contudo, antecipá-la ou limitá-la.

Neste exemplo, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6) foi reaproveitada para gerar vapor no vaso (RF), através do emprego de um ou múltiplos trocadores para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa por explosão a vapor ou outras técnicas. Os trocadores utilizados foram do tipo casco e tubo e/ou placas, nas suas diversas configurações como termossifão, "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6). Em configurações equivalentes, podem ser utilizados um ou mais vasos de vapor (RF) para gerar vapor a partir da energia recuperada da corrente de vapor "flash" (6). De acordo com o conceito de reaproveitamento de efluentes, a corrente

de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B1 ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, pode ser empregada como fonte de água para gerar vapor no vaso de vapor (RF).

Adicionalmente, pode-se utilizar água tratada para a caldeira ou qualquer tipo de condensado de vapor de aquecimento, denominada corrente 9 no fluxograma, como fonte de água para gerar vapor no vaso de vapor (RF).

No esquema aqui descrito, empregou-se um sistema de instrumentação e controle para as variáveis de processo do vaso de vapor (RF), tais como: pressão, nível, vazão e temperatura. A(s) corrente(s) gerada(s) no vaso (RF) provê(em) em parte ou em sua

totalidade a energia requerida nas diferentes etapas do presente arranjo e são aqui denominadas correntes como, por exemplo, a corrente (7), para prover energia para a unidade de produção de etanol de primeira geração ou a denominada corrente (10), empregada no aquecimento das correntes do sistema de pré-tratamento (RPT), ilustrado na Figura 6.

No exemplo específico, a corrente (7) é empregada como fonte de calor, parcial ou total, para a unidade de produção de etanol de segunda geração e fornece uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento (A) e epuração (A1). O esquema da Figura 6 prevê o emprego de trocadores tipo casco e

tubo, nas suas diversas configurações como termosifão e "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 ou sua(s) equivalente(s). Na presente configuração, trocadores tipo placas, também foram utilizados nas suas diversas configurações, para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1.

O presente arranjo também prevê a utilização de borbotagem direta do vapor da corrente (7) para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1.

No presente arranjo, a corrente (7) gerada no vaso (RF) é empregada para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B1 ou sua(s) equivalente(s). No exemplo aqui apresentado, foram utilizados trocadores tipo casco e

tubo, nas suas diversas configurações como termosifão e "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B1 ou sua(s) equivalente(s). O aproveitamento de energia, descrito acima, também pode ser realizado

por intermédio de trocadores tipo placas, nas suas diversas configurações, para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (7), provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B1 ou sua(s) equivalente(s). O esquema da figura 6 também prevê a utilização de borbotagem direta

do vapor da corrente (7) para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1).

Na configuração de processo aqui descrita, parte ou todo o condensado do vapor da corrente (7) retorna para o vaso de vapor (RF), quando a energia for recuperada por troca indireta.

Segundo o modelo da Figura 6, a corrente de flegmaça (3) oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de limpeza de biomassa (TL), independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas no sistema de limpeza. O esquema prevê também o emprego de trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado como (TC1) na Figura 6, para controlar a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema de limpeza de biomassa (TL).

No exemplo proposto, a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s)

de retificação (B e B1) ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação da corrente (C5) da biomassa pré-tratada, listado como (S1) na Figura 6, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de separação e recuperação.

Para garantir o desempenho correto do sistema (S1), foram utilizados trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC5) na Figura (6), para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (S1). Conforme a configuração proposta na Figura 6, a corrente de flegmaça

(3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B1 ou sua(s) equivalente(s), após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação da corrente de (C6) da torta de celulignina, listado como (S2) na Figura 6. O presente arranjo prevê a utilização de trocadores tipo casco e tubo, a

placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC6) na Figura 6, para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (S2).

A corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, foi empregada como fonte de água quente para os reatores de hidrólise, listados como (RH) na Figura 6, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de hidrólise de biomassa.

Segundo a configuração da presente invenção, trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) com (TC8) na Figura (6), foram utilizados para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (RH).

O esquema descrito na Figura 6 emprega a corrente alcóolica (4) do topo da coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua equivalente, na fase vapor, como fonte de aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

Neste ponto de aproveitamento térmico, foram utilizados trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC3) na Figura 6, para recuperar a energia contida na corrente (4), fornecendo a energia necessária para aquecer o sistema de hidrólise (RH) até a temperatura ótima do processo, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de hidrólise da biomassa.

No arranjo apresentado na Figura 6, foram utilizados sistemas de instrumentação e controle para as variáveis de processo na(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1), tais como: controle de pressão, controle de vazão e controle de temperatura, visando estabilizar e controlar o sistema de aproveitamento energético proposto na presente invenção.

O emprego da presente invenção é economicamente interessante, pois proporciona otimizar instalações produtoras de etanol de primeira e segunda geração já existentes ou pode ser aplicada em projetos novos para reduzir o investimento em equipamentos e diminuir o custo operacional da unidade.

25

30

Claims (8)

Arranjo Energético ε Reaproveitamento de Efluentes para a Produção Conjunta ε Eficiente de Etanol de Primeira ε Segunda Geração

1.Arranjo energético integrado entre os processos de primeira geração e segunda geração, caracterizado pelas etapas de: i) Emprego da energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa, para gerar vapor no vaso (RF); ii) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) como fonte de água para gerar vapor no vaso (RF); iii) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação em (S1) e (S2); iv) Emprego da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) como fonte de água quente para os reatores de hidrólise (RH); v) Emprego da água tratada, corrente (9), para gerar vapor no vaso RF; vi) Emprego do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7), para prover energia para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 e da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s); vii) Emprego do vapor gerado no vaso (RF), corrente (10), para prover energia para o pré-aquecimento da(s) corrente(s) de alimentação do reator (RPT) ou seu(s) equivalente(s); viii) Emprego do retorno de todo ou parte do condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e ix) Emprego da corrente alcóolica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) na fase vapor, como fonte de aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

2.Sistema de integração entre os sistemas de primeira geração e segunda geração, caracterizado por conter os elementos: i) meios para conectar a saída do vaso (TF) à entrada do vaso de vapor (RF); ii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ao vaso de vapor (RF); iii) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ao sistema de separação e recuperação em (S1) e (S2); iv) meios para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) aos reatores de hidrólise (RH); v) meios para empregar água tratada para gerar vapor no vaso (RF); vi) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) à(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração A1 e à(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) ou sua(s) equivalente(s); vii) meios para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) (RPT) ou seu(s) equivalente(s); viii) meios para retornar o condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e ix) meios para empregar a corrente alcóolica (4) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B1) na fase vapor como fonte de calor para aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

3.Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por utilizar instrumentação e controle.

4.Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelos instrumentos de controle serem instrumentos de pressão, controle de nível, controle de vazão e controle de temperatura.

5.Sistema de acordo com uma das reivindicações de 2 a 4, caracterizado pelos ditos meios serem trocadores de calor tipo casco e tubo e/ou placas.

6.Processo para produção de etanol caracterizado por compreender as etapas de: i) Limpar a biomassa com parte da corrente de flegmaça (3) oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente; ii) Pré-tratar a biomassa limpa na presença de vapor sendo parte do vapor armazenada em um sistema de recuperação de calor; iii) Separar a solução de ii) para recuperação dos açúcares usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente; iv) Hidrolisar enzimaticamente o material pré-tratado com parte de fonte de aquecimento da retificação do álcool e da limpeza dos fermentadores; v) Separar a solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em Iignina (celulignina) por filtração usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da limpeza dos fermentadores como fonte de água quente; vi) Fermentar a solução açucarada obtida após filtração com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor vii) Separar o vinho fermentado por centrifugação com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor; e, viii) Destilar/Desidratar o etanol produzido na fermentação com parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor.

7.Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo sistema para recuperação de calor ser composto por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para seu funcionamento contínuo e estável.

8.Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela referida etapa ii) poder ocorrer com o uso de catalisadores químicos ou biológicos.