BR102020009107A2 - INTEGRATED SYSTEM FOR ETHANOL PRODUCTION BY EXTRACTIVE FERMENTATION WITH GASEOUS DRAG AND RECOVERY BY ABSORPTION AND USE OF THE SAME - Google Patents
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Abstract
sistema integrado para produção de etanol por fermentação extrativa com arraste gasoso e recuperação por absorção e uso do mesmo. o presente documento pertence ao campo da engenharia química e bioquímica. a invenção propõe um sistema integrado para produção de etanol por fermentação extrativa, no qual o etanol é extraído por arraste gasoso com gás inerte, preferencialmente co2, em um biorreator pneumático, tipo coluna de bolhas ou airlift, e recuperado em uma unidade de absorção com absorvedores configurados em série. o sistema opera em circuito fechado com recirculação do co2 produzido na própria fermentação alcoólica. a aplicação do sistema proposto durante o processo fermentativo proporciona ganhos significativos em relação ao processo convencional de fermentação alcoólica, permitindo a conversão completa de mostos mais concentrados em substrato com consequente aumento da produção total de etanol, bem como a redução substancial do volume gerado de vinhaça. a técnica também pode ser empregada na extração e recuperação de etanol de vinhos delevedurados obtidos após a separação das leveduras do caldo fermentado ou de qualquer outra solução hidroalcoólica, bem como a extração e recuperação de outros compostos voláteis presentes em caldos de fermentação ou em misturas de líquidos com diferentes volatilidades.integrated system for ethanol production through extractive fermentation with gas entrainment and recovery through absorption and use. This document belongs to the field of chemical and biochemical engineering. The invention proposes an integrated system for producing ethanol by extractive fermentation, in which ethanol is extracted by gaseous drag with inert gas, preferably CO2, in a pneumatic bioreactor, bubble column or airlift type, and recovered in an absorption unit with absorbers configured in series. The system operates in a closed circuit with recirculation of the CO2 produced in the alcoholic fermentation itself. the application of the proposed system during the fermentation process provides significant gains in relation to the conventional alcoholic fermentation process, allowing the complete conversion of more concentrated musts into substrate with a consequent increase in total ethanol production, as well as a substantial reduction in the volume of vinasse generated . the technique can also be used in the extraction and recovery of ethanol from yeast wines obtained after separating the yeast from the fermented broth or any other hydroalcoholic solution, as well as the extraction and recovery of other volatile compounds present in fermentation broths or in mixtures of liquids with different volatilities.
Description
[001] O presente documento pertence ao campo da engenharia química e bioquímica. A invenção propõe um sistema integrado para produção de etanol por fermentação extrativa, no qual o etanol é extraído por arraste gasoso com um gás inerte, preferencialmente o CO2, em um biorreator pneumático tipo coluna de bolhas ou airlift e recuperado em uma unidade de absorção com absorvedores configurados em série.[001] This document belongs to the field of chemical and biochemical engineering. The invention proposes an integrated system for ethanol production by extractive fermentation, in which ethanol is extracted by gaseing with an inert gas, preferably CO2, in a pneumatic bubble column or airlift type bioreactor and recovered in an absorption unit with absorbers configured in series.
[002] O sistema opera em circuito fechado com recirculação do gás inerte produzido na própria fermentação alcoólica. A aplicação do sistema proposto durante o processo fermentativo proporciona ganhos significativos em relação ao processo convencional de fermentação alcoólica, permitindo a conversão completa de mostos mais concentrados em substrato com consequente aumento da produção total de etanol, bem como a redução do volume gerado de vinhaça.[002] The system operates in a closed circuit with recirculation of inert gas produced in alcoholic fermentation itself. The application of the proposed system during the fermentation process provides significant gains compared to the conventional alcoholic fermentation process, allowing the complete conversion of more concentrated musts into substrate with a consequent increase in total ethanol production, as well as a reduction in the volume of vinasse generated.
[003] A técnica também pode ser empregada na extração e recuperação de etanol de vinhos delevedurados obtidos após a separação das leveduras do caldo fermentado ou de qualquer outra solução hidroalcoólica, bem como na extração e recuperação de outros compostos voláteis presentes em caldos de fermentação ou em misturas de líquidos com diferentes volatilidades.[003] The technique can also be used in the extraction and recovery of ethanol from spoiled wines obtained after the separation of yeasts from the fermented broth or any other hydroalcoholic solution, as well as in the extraction and recovery of other volatile compounds present in fermentation broths or in mixtures of liquids with different volatilities.
[004] O etanol é o biocombustível mais consumido mundialmente (BAEYENS et al., 2015). No ano de 2019, a produção mundial de etanol foi de 110 bilhões de litros, sendo o Brasil o segundo maior produtor (30% do total), atrás apenas dos Estados Unidos (RENEWABLE FUELS ASSOCIATION, 2019). A indústria do etanol no Brasil teve como base o Programa Nacional do Álcool (Proálcool), criado nos anos 70. Desde então, os programas do governo de incentivos à produção e consumo de etanol e o surgimento do carro flexfuel levaram à consolidação do setor (AMORIM et al., 2011). Atualmente, com a Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio), a qual visa estimular o aumento da participação de biocombustíveis na matriz energética do país, a tendência é que o setor cresça e se fortaleça ainda mais (ANP, 2019).[004] Ethanol is the most consumed biofuel worldwide (BAEYENS et al., 2015). In 2019, the world production of ethanol was 110 billion liters, with Brazil being the second largest producer (30% of the total), only behind the United States (RENEWABLE FUELS ASSOCIATION, 2019). The ethanol industry in Brazil was based on the National Alcohol Program (Proálcool), created in the 1970s. Since then, government programs to encourage the production and consumption of ethanol and the emergence of the flexfuel car have led to the consolidation of the sector ( AMORIM et al., 2011). Currently, with the National Biofuel Policy (RenovaBio), which aims to encourage the increased participation of biofuels in the country's energy matrix, the trend is for the sector to grow and strengthen even more (ANP, 2019).
[005] A produção de etanol no Brasil se dá por via fermentativa empregando-se cana-de-açúcar como matériaprima. O processo é baseado na fermentação de mostos de caldo de cana concentrado ou melaço diluído com água ou caldo de cana, e emprega a levedura Saccharomyces cerevisiae. A composição de açúcares do mosto é majoritariamente sacarose e quantidades de glicose e frutose livres. Os açúcares, incluindo frutose e glicose livres e potenciais resultantes da hidrólise da sacarose, são denominados açúcares redutores totais (ART), uma variável de processo de grande importância nas destilarias, a partir da qual o etanol é gerado (PEREIRA et al., 2018).[005] Ethanol production in Brazil takes place via fermentation using sugarcane as a raw material. The process is based on the fermentation of concentrated sugarcane juice musts or molasses diluted with water or sugarcane juice, and uses the yeast Saccharomyces cerevisiae. The sugar composition of the wort is mostly sucrose and amounts of free glucose and fructose. Sugars, including free and potential fructose and glucose resulting from sucrose hydrolysis, are called total reducing sugars (ART), a process variable of great importance in distilleries, from which ethanol is generated (PEREIRA et al., 2018 ).
[006] O processo industrial é conduzido nos modos batelada alimentada ou contínuo, sendo o primeiro utilizado pela maioria das destilarias brasileiras (85%) (GODOY et al., 2008). Em ambos os casos, as leveduras são recicladas no processo, procedimento este repetido várias vezes ao longo da safra (processo Melle-Boinot). Na fermentação em batelada alimentada, o processo é iniciado alimentando-se o mosto a uma suspensão de leveduras, denominada “pé de cuba”, correspondente a 10-30% do volume de trabalho final da dorna de fermentação. A concentração de ART no mosto pode variar de 150 a 250 kg m-3, dependendo do estágio da safra. Após o enchimento da dorna, o processo continua no modo batelada até o consumo completo dos açúcares (PEREIRA et al., 2018; BASSO et al., 2011). No modo contínuo, as destilarias empregam sistemas com múltiplas dornas de fermentação em série que aumentam a conversão do substrato e a produtividade em etanol em comparação com dornas simples (CAMARGO et al., 1990). Ao final da fermentação, o caldo fermentado (vinho), composto de água (majoritariamente), etanol na concentração de 8 a 12 °GL (grau Gay-Lussac ou % v v-1) e levedura é centrifugado para separação das células. A suspensão de leveduras resultante (creme) é tratada com solução de ácido sulfúrico para controle de contaminação e o vinho delevedurado é bombeado para as colunas de destilação, onde é concentrado a fim de obter o etanol hidratado, uma mistura azeotrópica com aproximadamente 95% (v v-1) de etanol (BASSO et al., 2011). Na primeira coluna de destilação (retificação) é gerada a vinhaça, um subproduto com elevada demanda bioquímica de oxigênio e rico em minerais, como potássio, cálcio, magnésio, nitrogênio e fósforo, o qual tem sido aplicada como fertilizante nas lavouras de cana (MOHANA et al., 2009; AMORIM et al., 2011). Para obtenção do etanol anidro é necessária a remoção completa da água, que pode ocorrer por destilação azeotrópica com ciclohexano, destilação extrativa com monoetilenoglicol (MEG) ou adsorção com peneiras moleculares (WHEALS et al., 1999; MORANDIN et al., 2011).[006] The industrial process is conducted in fed-batch or continuous modes, being the first used by most Brazilian distilleries (85%) (GODOY et al., 2008). In both cases, the yeasts are recycled in the process, a procedure repeated several times throughout the harvest (Melle-Boinot process). In fed-batch fermentation, the process is started by feeding the must to a yeast suspension, called “cube foot”, corresponding to 10-30% of the final working volume of the fermentation vessel. The concentration of ART in the must can vary from 150 to 250 kg m-3, depending on the stage of the crop. After filling the vats, the process continues in batch mode until complete consumption of sugars (PEREIRA et al., 2018; BASSO et al., 2011). In continuous mode, distilleries employ systems with multiple fermentation vats in series that increase substrate conversion and productivity in ethanol compared to single vats (CAMARGO et al., 1990). At the end of fermentation, the fermented broth (wine), composed of water (mainly), ethanol at a concentration of 8 to 12 °GL (Gay-Lussac grade or % v v-1) and yeast is centrifuged to separate the cells. The resulting yeast suspension (cream) is treated with a sulfuric acid solution to control contamination and the dewatered wine is pumped to the distillation columns, where it is concentrated to obtain hydrated ethanol, an azeotropic mixture of approximately 95% ( v v-1) of ethanol (BASSO et al., 2011). In the first distillation column (rectification) vinasse is generated, a by-product with high biochemical oxygen demand and rich in minerals such as potassium, calcium, magnesium, nitrogen and phosphorus, which has been applied as a fertilizer in sugarcane plantations (MOHANA et al., 2009; AMORIM et al., 2011). To obtain anhydrous ethanol, it is necessary to completely remove the water, which can occur by azeotropic distillation with cyclohexane, extractive distillation with monoethylene glycol (MEG) or adsorption with molecular sieves (WHEALS et al., 1999; MORANDIN et al., 2011).
[007] Embora já consolidado, o processo ainda pode ser melhorado com o desenvolvimento e implantação de novas tecnologias para redução de custos. A principal limitação do processo industrial de fermentação alcoólica é a toxicidade do etanol à levedura. Durante a fermentação, o etanol se acumula no caldo fermentativo, inibindo o crescimento celular e a sua própria produção (MAIORELLA et al., 1983).[007] Although already consolidated, the process can still be improved with the development and implementation of new technologies to reduce costs. The main limitation of the industrial alcoholic fermentation process is the toxicity of ethanol to yeast. During fermentation, ethanol accumulates in the fermentation broth, inhibiting cell growth and its own production (MAIORELLA et al., 1983).
[008] Portanto, para assegurar conversão completa do substrato em intervalo de tempo razoável é necessário iniciar o processo utilizando mostos relativamente diluídos em açúcar (concentração de ART geralmente não ultrapassa 250 kg m-3 ou equivalente a 175 kg m-3 de ART consumido). Como consequência, além da necessidade da utilização de dornas de grande volume, os custos associados com a demanda energética para recuperação do etanol são elevados (até 2600 kg de vapor por m3 de etanol produzido). Além disso, há a geração de grandes volumes de vinhaça, de até 11,9 m3 por cada m3 de etanol produzido, com elevados custos associados com seu armazenamento, transporte e disposição no campo, podendo chegar a R$ 7,80 por m3 de vinhaça. E, mesmo a aplicação da vinhaça nas lavouras de cana requer cuidados para evitar danos ambientais devido ao seu potencial poluidor (MOHANA et al., 2009; AMORIM et al., 2011; RUIZ, 2015; LOPES et al., 2016).[008] Therefore, to ensure complete conversion of the substrate within a reasonable time, it is necessary to start the process using musts relatively diluted in sugar (ART concentration generally does not exceed 250 kg m-3 or equivalent to 175 kg m-3 of consumed ART ). As a result, in addition to the need to use large-volume vats, the costs associated with energy demand for ethanol recovery are high (up to 2600 kg of steam per m3 of ethanol produced). In addition, there is the generation of large volumes of vinasse, up to 11.9 m3 for each m3 of ethanol produced, with high costs associated with its storage, transport and disposal in the field, which can reach R$ 7.80 per m3 of stillage. And even the application of vinasse in sugarcane fields requires care to avoid environmental damage due to its polluting potential (MOHANA et al., 2009; AMORIM et al., 2011; RUIZ, 2015; LOPES et al., 2016).
[009] Uma forma de minimizar os efeitos negativos da inibição pelo produto no processo de produção de etanol é a utilização de fermentação extrativa, que consiste em remover o composto inibitório (etanol) presente no caldo de fermentação ao longo do processo. Existem diferentes métodos que podem ser aplicados em fermentações extrativas, os quais incluem sistemas que utilizam membranas, tais como pervaporação, perstracão e osmose reversa; além de adsorção, extração líquido-líquido, arraste gasoso, extração à vácuo, entre outros. O arraste gasoso, técnica de remoção de etanol aplicada no presente invento, também conhecido como esgotamento (stripping), consiste na aspersão de um gás numa solução líquida de modo que ocorra a transferência de um ou mais compostos desta solução para a fase gasosa. Em comparação aos outros métodos de separação, o arraste gasoso apresenta vantagens como simplicidade de operação e viabilidade econômica devido à possibilidade de utilização do CO2 produzido durante a fermentação alcoólica, o que o torna atrativo para aplicações em larga escala. Ademais, o arraste gasoso não remove os nutrientes do caldo, uma vez que é seletivo a compostos voláteis, bem como não causa danos às células durante a fermentação (EZEJI et al., 2003). Na literatura científica são encontrados trabalhos que reportam a utilização de arraste gasoso em processos fermentativos de produção de etanol a partir do milho (TAYLOR et al., 2010), cana-de-açúcar (SILVA et al., 2015; SONEGO et al., 2014; SONEGO et al., 2016; RODRIGUES et al., 2018; SONEGO et al., 2018) e sorgo sacarino (THANI et al., 2018), além de fermentações ABE (acetona-butanol-etanol) (CHEN et al., 2018). Em tese, estes estudos mostram que a aplicação do arraste gasoso na fermentação possibilita a conversão completa de maiores quantidades de substrato, bem como o aumento da produção total e produtividade em etanol. Dessa forma, no contexto das destilarias brasileiras, o arraste gasoso é uma tecnologia promissora com potencial de reduzir o tamanho de equipamentos (dornas de menor volume para a mesma capacidade de produção), custos energéticos de recuperação do etanol e, principalmente, o volume gerado de vinhaça.[009] One way to minimize the negative effects of inhibition by the product in the ethanol production process is the use of extractive fermentation, which consists of removing the inhibitory compound (ethanol) present in the fermentation broth throughout the process. There are different methods that can be applied in extractive fermentations, which include systems that use membranes, such as pervaporation, perstration and reverse osmosis; in addition to adsorption, liquid-liquid extraction, gaseous entrainment, vacuum extraction, among others. Gas drag, a technique for removing ethanol applied in the present invention, also known as stripping, consists of spraying a gas in a liquid solution so that the transfer of one or more compounds from this solution to the gaseous phase occurs. Compared to other separation methods, gaseous entrainment has advantages such as simplicity of operation and economic feasibility due to the possibility of using the CO2 produced during alcoholic fermentation, which makes it attractive for large-scale applications. Furthermore, the gaseous carryover does not remove the nutrients from the broth, since it is selective to volatile compounds, as well as it does not damage the cells during fermentation (EZEJI et al., 2003). In the scientific literature there are works that report the use of gaseous carryover in fermentation processes for the production of ethanol from corn (TAYLOR et al., 2010), sugarcane (SILVA et al., 2015; SONEGO et al. , 2014; SONEGO et al., 2016; RODRIGUES et al., 2018; SONEGO et al., 2018) and sweet sorghum (THANI et al., 2018), in addition to ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentations (CHEN et al., al., 2018). In theory, these studies show that the application of gaseous carryover in fermentation enables the complete conversion of larger amounts of substrate, as well as the increase in total ethanol production and productivity. Thus, in the context of Brazilian distilleries, gaseous entrainment is a promising technology with the potential to reduce the size of equipment (smaller volume vats for the same production capacity), energy costs of ethanol recovery and, mainly, the volume generated of stillage.
[0010] Embora o arraste gasoso possa trazer benefícios para a fermentação alcoólica, métodos eficientes para a recuperação do etanol removido são necessários a fim de tornar a aplicação da técnica viável. Operações que podem ser empregadas para este fim incluem condensação (PONCE et al., 2016), adsorção (HASHI et al., 2010), permeação de vapor (SUN et al., 2017) e absorção (RODRIGUES et al., 2019). Apesar de proporcionarem boa eficiência na recuperação do etanol, os três primeiros métodos não são ainda viáveis para implementação em larga escala, devido aos custos elevados com adsorventes e membranas e os consumos de energia na operação de condensadores e na produção de vácuo. Dentre estas operações, a absorção demonstra ser a opção mais atraente para utilização em escala industrial, com equipamentos de fácil instalação e operação. No Brasil, algumas destilarias já utilizam torres para lavagem do gás de saída das dornas de fermentação com água para minimizar perdas de etanol. Analogamente, unidades de absorção poderiam ser instaladas para recuperar o etanol removido durante a fermentação por arraste gasoso. Glicerol e glicóis, tais como monoetilenoglicol (MEG) e dietilenoglicol (DEG) são solventes atrativos para esta aplicação, pois impedem a formação do azeótropo etanol-água (BLACK e DITSLER, 1972). O MEG, particularmente, já é usado em destilarias brasileiras na destilação extrativa para obtenção de etanol anidro. Dessa forma, estaria prontamente disponível para uso no processo e a solução resultante da absorção poderia ser alimentada diretamente na coluna de destilação extrativa.[0010] Although gaseous entrainment can bring benefits to alcoholic fermentation, efficient methods for recovering the removed ethanol are needed in order to make the application of the technique viable. Operations that can be employed for this purpose include condensation (PONCE et al., 2016), adsorption (HASHI et al., 2010), vapor permeation (SUN et al., 2017) and absorption (RODRIGUES et al., 2019) . Despite providing good efficiency in ethanol recovery, the first three methods are not yet viable for large-scale implementation, due to the high costs with adsorbents and membranes and the energy consumption in the operation of condensers and in the production of vacuum. Among these operations, absorption proves to be the most attractive option for use on an industrial scale, with equipment that is easy to install and operate. In Brazil, some distilleries already use towers to wash the exit gas from the fermentation vats with water to minimize ethanol losses. Analogously, absorption units could be installed to recover the ethanol removed during the fermentation by gaseous drag. Glycerol and glycols, such as monoethylene glycol (MEG) and diethylene glycol (DEG) are attractive solvents for this application, as they prevent the formation of the ethanol-water azeotrope (BLACK and DITSLER, 1972). MEG, in particular, is already used in Brazilian distilleries in extractive distillation to obtain anhydrous ethanol. As such, it would be readily available for use in the process and the resulting absorption solution could be fed directly into the extractive distillation column.
[0011] Diante do cenário apresentado, a presente invenção propõe um processo integrado para produção de etanol por fermentação extrativa empregando arraste gasoso com CO2 para extração do etanol do caldo de fermentação ou de vinho fermentado e absorção para recuperação do etanol removido. No exemplo apresentado, o sistema emprega um biorreator pneumático acoplado a um conjunto de absorvedores contendo MEG como absorvente e opera em circuito fechado com recirculação do CO2 produzido pela fermentação alcoólica.[0011] Given the scenario presented, the present invention proposes an integrated process for ethanol production by extractive fermentation employing gaseous drag with CO2 for ethanol extraction from fermentation broth or fermented wine and absorption for recovery of removed ethanol. In the example shown, the system employs a pneumatic bioreactor coupled to a set of absorbers containing MEG as an absorbent and operates in a closed circuit with recirculation of CO2 produced by alcoholic fermentation.
[0012] O documento PI9403246-7 refere-se a um processo e aparato para separação de compostos voláteis, de líquidos de fermentação utilizando arraste gasoso. Inicialmente, líquido de fermentação e gás de arraste, preferencialmente o nitrogênio, passam através de um misturador gás-líquido. A mistura formada é direcionada para um recipiente, onde é feita a separação das fases. O gás é descartado para a atmosfera, enquanto o líquido é conduzido para um segundo misturador, onde entra em contato novamente com gás de arraste puro. Esta segunda mistura também é direcionada para um recipiente para separação das fases. O líquido resultante desta etapa é o produto desejado e o gás pode ser descartado para a atmosfera ou reciclado no processo para o início de novo ciclo. Embora utilize arraste gasoso, o processo em questão é apenas para remoção de compostos voláteis, ou seja, não emprega fermentação para produção de um produto de interesse e nem sistema para recuperação do mesmo e, portanto, não guarda semelhanças com o processo que está sendo aqui proposto.[0012] The document PI9403246-7 refers to a process and apparatus for separating volatile compounds from fermentation liquids using gaseous drag. Initially, fermentation liquid and carrier gas, preferably nitrogen, pass through a gas-liquid mixer. The mixture formed is directed to a container, where the phases are separated. The gas is discharged to the atmosphere, while the liquid is conveyed to a second mixer, where it is again in contact with pure carrier gas. This second mixture is also directed to a vessel for phase separation. The liquid resulting from this step is the desired product and the gas can be discharged to the atmosphere or recycled in the process to start a new cycle. Although it uses gaseous drag, the process in question is only for the removal of volatile compounds, that is, it does not employ fermentation to produce a product of interest or a system for its recovery and, therefore, it does not have similarities with the process being proposed here.
[0013] O documento PI0500321-0 refere-se a um processo de produção, extração e recuperação de etanol. O invento emprega um sistema composto de dorna de fermentação, dispositivo de separação de células (centrifugação ou filtração), cuba de tratamento do fermento, tanque flash a vácuo, unidade de condensação do etanol, além de bombas. O processo emprega a levedura Saccharomyces cerevisiae e mosto composto de melaço diluído em água. Durante o processo, o caldo de fermentação é bombeado na dorna para uma unidade de separação de células, resultando na formação de duas correntes, creme de levedura e vinho delevedurado. O creme é encaminhado para a cuba de tratamento ácido para controle de contaminação bacteriana antes de ser reciclado no processo (modo de operação contínuo) ou dar início a um novo ciclo de fermentação (modo de operação descontínuo). O vinho delevedurado é encaminhado para o tanque flash que opera em condições de vácuo, gerando uma corrente líquida que pode ou não ser reciclada para a dorna de fermentação e uma corrente de vapor que é alimentada em uma coluna de retificação resultando na condensação de uma solução rica em etanol. Embora compreenda um processo integrado de produção, extração e recuperação de etanol, a referida patente difere da presente invenção nos seguintes aspectos: emprega vácuo para remoção do etanol, a recuperação é feita por condensação e a produção e extração de etanol ocorrem em dispositivos separados.[0013] The document PI0500321-0 refers to a process of production, extraction and recovery of ethanol. The invention employs a system comprising a fermentation tank, cell separation device (centrifugation or filtration), yeast treatment tank, vacuum flash tank, ethanol condensing unit, in addition to pumps. The process uses the yeast Saccharomyces cerevisiae and a must composed of molasses diluted in water. During the process, the fermentation broth is pumped from the vats to a cell separation unit, resulting in the formation of two streams, yeast cream and yeasty wine. The cream is sent to the acid treatment tank to control bacterial contamination before being recycled into the process (continuous operation mode) or starting a new fermentation cycle (batch operation mode). The dewatered wine is sent to the flash tank that operates under vacuum conditions, generating a liquid stream that may or may not be recycled to the fermentation vessel and a steam stream that is fed into a rectification column resulting in the condensation of a solution rich in ethanol. Although it comprises an integrated process for the production, extraction and recovery of ethanol, the aforementioned patent differs from the present invention in the following aspects: it uses a vacuum to remove the ethanol, the recovery is carried out by condensation and the production and extraction of ethanol takes place in separate devices.
[0014] O documento PI0801209-1 propõe um sistema de fermentação alcoólica que emprega arraste gasoso com nitrogênio para remoção de etanol e outros compostos voláteis de caldo de fermentação visando aumentar a velocidade de reação da fermentação e a produtividade em produto. No sistema, o arraste gasoso é feito utilizando um dispositivo referido como equipamento supersônico de estripagem em linha, capaz de gerar microbolhas de nitrogênio e maximizar a transferência de massa. O caldo de fermentação é bombeado do fermentador para o equipamento supersônico, passa pelo mesmo e a mistura gás líquido resultante retorna para o fermentador, onde as fases gasosa e líquida se separam. A corrente gasosa resultante contendo nitrogênio, etanol e outros produtos voláteis deixa o fermentador pela parte superior, é lavada com água em um lavador e liberada na atmosfera. A corrente líquida resultante do lavador contendo etanol, água, substrato não fermentado e resíduos de subprodutos é encaminhada para uma unidade de destilação para recuperação do etanol. Embora empregue arraste gasoso na fermentação alcoólica, a referida patente se difere do presente invento que opera em circuito fechado com reciclo da corrente gasosa para o biorreator, não utiliza nitrogênio como gás de arraste e não emprega equipamento supersônico, sendo o arraste gasoso realizado na própria dorna de fermentação utilizando CO2.[0014] The document PI0801209-1 proposes an alcoholic fermentation system that employs gaseous entrainment with nitrogen to remove ethanol and other volatile compounds from the fermentation broth in order to increase the fermentation reaction speed and product productivity. In the system, gaseous entrainment is done using a device referred to as in-line supersonic stripping equipment, capable of generating nitrogen microbubbles and maximizing mass transfer. The fermentation broth is pumped from the fermenter to the supersonic equipment, passes through it and the resulting liquid gas mixture returns to the fermenter, where the gaseous and liquid phases separate. The resulting gaseous stream containing nitrogen, ethanol and other volatile products leaves the fermentor at the top, is washed with water in a scrubber and released into the atmosphere. The resulting liquid stream from the washer containing ethanol, water, unfermented substrate and waste by-products is routed to a distillation unit for ethanol recovery. Although gaseous entrainment is used in alcoholic fermentation, the aforementioned patent differs from the present invention, which operates in a closed circuit with recycling of the gaseous stream to the bioreactor, does not use nitrogen as the entraining gas and does not employ supersonic equipment, with the gaseous entrainment being carried out in the bioreactor. fermentation vessel using CO2.
[0015] O documento PI0803058-8 refere-se a um processo para remoção de água de uma mistura hidroalcoólica utilizando membrana. No processo, a mistura hidroalcoólica é destilada e o vapor formado passa por uma membrana seletiva à água. O vapor que permeia a membrana, rico em água, é utilizado para operações de aquecimento (reaproveitamento de energia) ou condensado para ser usado como água de reposição da fermentação. A patente também descreve outras configurações de processo empregando múltiplos estágios de unidades de membrana. O processo pode ser usado para remover água de um caldo de fermentação que foi parcialmente desidratado, por exemplo, por uma ou mais de uma coluna de destilação ou peneira molecular. A referida patente utiliza um sistema de destilação acoplado a membranas de permeação de vapor. Ademais, tem como foco a remoção e recuperação de água para reutilização no processo ao invés de etanol e, portanto, não apresenta similaridade com o presente invento.[0015] The document PI0803058-8 refers to a process for removing water from a hydroalcoholic mixture using membrane. In the process, the hydroalcoholic mixture is distilled and the vapor formed passes through a water-selective membrane. The steam that permeates the membrane, rich in water, is used for heating operations (energy reuse) or condensed to be used as make-up water for fermentation. The patent also describes other process configurations employing multiple stages of membrane units. The process can be used to remove water from a fermentation broth that has been partially dehydrated, for example, by one or more of a distillation column or molecular sieve. Said patent uses a distillation system coupled to vapor permeation membranes. Furthermore, it focuses on the removal and recovery of water for reuse in the process instead of ethanol and, therefore, it has no similarity with the present invention.
[0016] O documento PI0806712-0 propõe um processo integrado de produção e extração de etanol utilizando um reator dotado de membranas tubulares seletivas ao etanol. O processo fermentativo ocorre no interior das membranas contendo leveduras e uma alimentação contínua de solução de glicose (mosto). A aplicação de vácuo do lado externo da membrana impõe um gradiente de pressão entre os dois lados da membrana fazendo com que o etanol flua através da mesma, sendo removido do caldo de fermentação. A remoção contínua de etanol garante que sua concentração no caldo seja mantida abaixo de níveis inibitórios, melhorando o desempenho do processo. A patente em questão apresenta diferenças claras em relação ao presente invento, que não utiliza membranas, emprega biorreator pneumático e não opera em condições de vácuo. Além disso, o foco da referida patente é apenas na extração do etanol, enquanto o da presente patente é na integração entre produção, extração e recuperação do mesmo.[0016] The document PI0806712-0 proposes an integrated process for the production and extraction of ethanol using a reactor equipped with tubular membranes selective to ethanol. The fermentation process takes place inside membranes containing yeast and a continuous supply of glucose solution (must). The application of a vacuum on the outer side of the membrane imposes a pressure gradient between the two sides of the membrane causing ethanol to flow through, being removed from the fermentation broth. Continuous removal of ethanol ensures that its concentration in the broth is kept below inhibitory levels, improving process performance. The patent in question presents clear differences in relation to the present invention, which does not use membranes, employs a pneumatic bioreactor and does not operate under vacuum conditions. In addition, the focus of this patent is only on the extraction of ethanol, while that of the present patent is on the integration between its production, extraction and recovery.
[0017] O documento PI1105142-6 se refere a um processo de fermentação alcoólica extrativa utilizando solvente imiscível com água (extração líquido-líquido). O invento é dirigido para processos fermentativos que utilizem mostos resultantes de hidrólise de materiais lignocelulósicos e amiláceos ou contendo melaços fortemente esgotados com alto conteúdo de inibidores. O solvente extrator apresenta baixa toxicidade ao microrganismo fermentador e é capaz de remover simultaneamente o produto (etanol) e outros inibidores, além de resfriar o caldo de fermentação. No processo, o solvente é alimentado na própria dorna de fermentação pela parte inferior e flui ascendentemente por ser menos denso que o caldo de fermentação (fase aquosa). Na parte superior da dorna, o solvente contendo o produto e os inibidores é removido e encaminhado para uma unidade de recuperação, onde é simplesmente aquecido ou submetido à destilação a vácuo. A corrente de vapor resultante é enviada para outra unidade para recuperação do produto e o solvente recuperado é reintroduzido na dorna de fermentação. Embora seja um processo de fermentação extrativa, o referido invento não apresenta qualquer similaridade com o presente invento, que não utiliza extração com solvente e nem operações de aquecimento para recuperação do etanol.[0017] The document PI1105142-6 refers to an extractive alcoholic fermentation process using water-immiscible solvent (liquid-liquid extraction). The invention is directed to fermentation processes that use musts resulting from the hydrolysis of lignocellulosic and starch materials or containing highly depleted molasses with a high content of inhibitors. The extracting solvent has low toxicity to the fermenting microorganism and is capable of simultaneously removing the product (ethanol) and other inhibitors, in addition to cooling the fermentation broth. In the process, the solvent is fed into the fermentation vessel itself from the bottom and flows upwards because it is less dense than the fermentation broth (aqueous phase). At the top of the vats, the solvent containing the product and inhibitors is removed and sent to a recovery unit, where it is simply heated or subjected to vacuum distillation. The resulting steam stream is sent to another unit for product recovery and the recovered solvent is reintroduced into the fermentation vessel. Although it is an extractive fermentation process, said invention does not show any similarity with the present invention, which does not use solvent extraction or heating operations for ethanol recovery.
[0018] O documento US4703007A é referente a um sistema para separação de compostos voláteis de soluções aquosas por arraste gasoso empregando reator airlift. No sistema, o gás de arraste é introduzido na parte inferior do cilindro interno do reator através de um tubo. As bolhas de gás passam através da solução no reator e o componente volátil é transferido da fase líquida para fase gasosa. A corrente gasosa resultante sai pelo topo do reator e passa por um sistema de coleta onde é resfriada para a condensação do componente volátil. Opcionalmente, o gás de arraste pode ser reciclado para o reator. A passagem do gás no interior do reator também fornece a agitação necessária no meio reacional. O invento também mostra que o sistema pode ser adaptado para processos fermentativos que empregam, por exemplo, Saccharomyces cerevisiae. Embora a referida patente também faça uso de arraste gasoso, técnica difundida na literatura, a mesma não se assemelha com o presente invento, pois não emprega a absorção com solvente para recuperação de componentes e não utiliza alta carga de substrato no processo.[0018] The document US4703007A refers to a system for separating volatile compounds from aqueous solutions by gaseous drag using an airlift reactor. In the system, the carrier gas is introduced in the lower part of the inner cylinder of the reactor through a tube. The gas bubbles pass through the solution in the reactor and the volatile component is transferred from the liquid phase to the gas phase. The resulting gas stream exits the top of the reactor and passes through a collection system where it is cooled to condense the volatile component. Optionally, the carrier gas can be recycled to the reactor. The passage of gas inside the reactor also provides the necessary agitation in the reaction medium. The invention also shows that the system can be adapted for fermentation processes employing, for example, Saccharomyces cerevisiae. Although the aforementioned patent also makes use of gaseous drag, a technique widespread in the literature, it does not resemble the present invention, as it does not employ solvent absorption for component recovery and does not use a high substrate load in the process.
[0019] O documento US20100221802 é referente a um processo integrado para produção, remoção e recuperação de butanol, no qual a produção ocorre via fermentação utilizando linhagem recombinante de Escherichia coli ou Saccharomyces cerevisiae e a remoção por extração líquido-líquido empregando os solventes ácido oleico e ácido esteárico. O invento propõe diferentes configurações de processo nas quais a extração pode ser realizada no fermentador ou em tanques de extração separados e pode empregar apenas um dos solventes ou uma mistura de ambos. No processo, o caldo de fermentação é mantido em contato com o solvente, formando uma mistura de duas fases, sendo uma aquosa (caldo de fermentação) e uma fase orgânica (solvente). A maior afinidade do butanol pela fase orgânica possibilita sua extração do caldo de fermentação. Após a extração, as fases são separadas para posterior recuperação do butanol da fase orgânica. O invento também propõe a aplicação de arraste gasoso para remoção de butanol concomitantemente com a extração com solventes. Embora seja um processo integrado, a patente em questão não apresenta similaridade com o invento proposto, que não utiliza a bactéria Escherichia coli, não emprega extração líquido-líquido e tem como foco o etanol.[0019] Document US20100221802 refers to an integrated process for the production, removal and recovery of butanol, in which the production occurs via fermentation using a recombinant strain of Escherichia coli or Saccharomyces cerevisiae and removal by liquid-liquid extraction using oleic acid solvents and stearic acid. The invention proposes different process configurations in which the extraction can be carried out in the fermentor or in separate extraction tanks and can use only one of the solvents or a mixture of both. In the process, the fermentation broth is kept in contact with the solvent, forming a mixture of two phases, an aqueous phase (fermentation broth) and an organic phase (solvent). The greater affinity of butanol for the organic phase makes it possible to extract it from the fermentation broth. After extraction, the phases are separated for later recovery of butanol from the organic phase. The invention also proposes the application of gaseous drag to remove butanol concomitantly with solvent extraction. Although it is an integrated process, the patent in question is not similar to the proposed invention, which does not use the Escherichia coli bacteria, does not employ liquid-liquid extraction and focuses on ethanol.
[0020] O documento GB483363 se refere a um processo de fermentação alcoólica industrial que emprega tratamento ácido nas leveduras para controle de infecção por bactérias. Ao final da fermentação, o caldo fermentado é bombeado da dorna de fermentação para uma unidade de separação que separa o vinho das células de levedura. O vinho livre de leveduras é alimentado na unidade de destilação e as leveduras são encaminhadas para uma cuba onde é realizado o tratamento ácido. O tratamento consiste em submeter a levedura a uma solução com concentração de íons hidrogênio pelo menos dez vezes menor que a concentração empregada durante a fermentação (equivalente à redução no pH em pelo menos uma unidade). Após o tratamento, as leveduras são transferidas para um tanque de mistura onde é acrescentado melaço diluído e a suspensão resultante é bombeada para uma dorna onde se inicia novo ciclo de fermentação. Ao final deste ciclo, todo o procedimento supramencionado é realizado novamente. Os ciclos de operação são repetidos quantas vezes for necessário. Embora o referido invento aborde uma etapa importante relacionada com o controle da infecção da fermentação alcoólica, o mesmo não emprega nenhum método para remoção e recuperação de etanol e, portanto, não guarda qualquer semelhança com a técnica aqui proposta.[0020] The document GB483363 refers to an industrial alcoholic fermentation process that employs acid treatment in yeasts to control bacterial infection. At the end of fermentation, the fermented broth is pumped from the fermentation vessel to a separation unit that separates the wine from the yeast cells. The yeast-free wine is fed into the distillation unit and the yeasts are sent to a vat where the acid treatment is carried out. The treatment consists of submitting the yeast to a solution with a concentration of hydrogen ions at least ten times lower than the concentration used during fermentation (equivalent to a reduction in pH by at least one unit). After the treatment, the yeasts are transferred to a mixing tank where diluted molasses is added and the resulting suspension is pumped to a vats where a new fermentation cycle begins. At the end of this cycle, the entire procedure mentioned above is performed again. Operating cycles are repeated as often as necessary. Although said invention addresses an important step related to the control of infection in alcoholic fermentation, it does not employ any method for removing and recovering ethanol and, therefore, it does not bear any similarity with the technique proposed here.
[0021] O documento CN1403579 é referente a um processo para produção e recuperação de etanol que utiliza um biorreator airlift acoplado a uma unidade de recuperação composta por duas colunas de adsorção/dessorção paralelamente conectadas e um condensador. No biorreator ocorre o processo fermentativo propriamente dito e a remoção do etanol por arraste gasoso. As duas colunas são usadas para adsorver o etanol presente na mistura gasosa enquanto o condensador é usado para coletar o etanol dessorvido. O biorreator opera sob um vácuo de 4000 a 8000 Pa com auxílio de uma bomba que também promove a recirculação da mistura gasosa no sistema. A referida técnica apresenta diferenças claras em relação à proposta no presente invento, o qual não opera sob vácuo, bem como não utiliza material adsorvente e condensador para a recuperação do etanol.[0021] The document CN1403579 refers to a process for production and recovery of ethanol that uses an airlift bioreactor coupled to a recovery unit composed of two adsorption/desorption columns connected in parallel and a condenser. In the bioreactor, the fermentation process itself takes place and the ethanol is removed by gaseing. The two columns are used to adsorb the ethanol present in the gas mixture while the condenser is used to collect the desorbed ethanol. The bioreactor operates under a vacuum of 4000 to 8000 Pa with the aid of a pump that also promotes the recirculation of the gas mixture in the system. Said technique presents clear differences in relation to the proposal in the present invention, which does not operate under vacuum, as well as does not use adsorbent material and condenser for the recovery of ethanol.
[0022] O documento US2005089979 diz respeito a um processo contínuo para produção e recuperação de acetona, butanol e etanol (ABE). O processo emprega um biorreator onde os solventes são produzidos via fermentação por bactérias solventogênicas do gênero Clostridium. Os solventes são removidos por arraste gasoso no próprio fermentador, que dispõe de um aspersor perfurado para a alimentação de mistura gasosa composta de CO2 e H2, utilizados como substratos na produção de ABE. Após serem removidos do caldo de fermentação pela mistura gasosa, os solventes produzidos (ABE) são recuperados por condensação enquanto a corrente gasosa é recirculada no sistema com o auxílio de bomba peristáltica. Embora descreva um processo de produção e recuperação de produtos de fermentação, tal patente apresenta diferenças evidentes em relação ao invento aqui proposto, o qual não tem como foco a fermentação ABE, bem como não utiliza condensação para recuperação do produto.[0022] The document US2005089979 concerns a continuous process for the production and recovery of acetone, butanol and ethanol (ABE). The process employs a bioreactor where solvents are produced via fermentation by solventogenic bacteria of the genus Clostridium. Solvents are removed by gaseous drag in the fermentor itself, which has a perforated sprinkler for feeding a gas mixture composed of CO2 and H2, used as substrates in the production of EBA. After being removed from the fermentation broth by the gas mixture, the produced solvents (ABE) are recovered by condensation while the gas stream is recirculated in the system with the aid of a peristaltic pump. Although it describes a process for the production and recovery of fermentation products, this patent presents clear differences in relation to the invention proposed here, which does not focus on ABE fermentation, as well as does not use condensation for product recovery.
[0023] O documento CN101024846 descreve um método e aparato para recuperação de etanol da fase vapor de caldo fermentado destilado. O sistema de recuperação emprega duas colunas de adsorção, sendo a primeira composta de leito de zeólita hidrofóbica e a segunda de leito de zeólita 3A. O caldo fermentado contendo etanol passa por uma torre onde é aquecido até 100-110°C para geração de vapor. O vapor resultante alimenta a primeira coluna, na qual etanol é adsorvido enquanto a água sai pelo topo. Em seguida, um gás, que pode ser N2, H2 ou o CO2 produzido pela fermentação, é empregado para dessorver o etanol do adsorvente saturado. A corrente gasosa resultante alimenta a segunda coluna de adsorção para remoção do resíduo de umidade e obtenção de etanol anidro. Esta segunda coluna funciona como uma peneira molecular, em que os poros do adsorvente são maiores que a molécula de água e menores que as moléculas de etanol. O referido invento é capaz de reduzir em até 50% o consumo de energia em relação ao processo tradicional de destilação empregado industrialmente. O invento em questão não emprega arraste gasoso, é aplicado apenas para caldo fermentado e utiliza adsorção para recuperação do etanol e, portanto, não apresenta similaridade com o processo proposto na presente invenção.[0023] The document CN101024846 describes a method and apparatus for recovering ethanol from the vapor phase of distilled fermented broth. The recovery system employs two adsorption columns, the first consisting of a bed of hydrophobic zeolite and the second of a bed of 3A zeolite. The fermented broth containing ethanol passes through a tower where it is heated to 100-110°C to generate steam. The resulting steam feeds the first column, in which ethanol is adsorbed while water exits the top. Then, a gas, which can be N2, H2 or the CO2 produced by fermentation, is used to desorb the ethanol from the saturated adsorbent. The resulting gaseous stream feeds the second adsorption column to remove residual moisture and obtain anhydrous ethanol. This second column works as a molecular sieve, in which the adsorbent's pores are larger than the water molecule and smaller than the ethanol molecules. Said invention is able to reduce up to 50% the energy consumption in relation to the traditional distillation process used industrially. The invention in question does not employ gaseous drag, is applied only to fermented broth and uses adsorption to recover ethanol and, therefore, does not present similarity with the process proposed in the present invention.
[0024] O documento CN101952451 descreve um processo de recuperação de etanol e outros produtos líquidos produzidos por fermentação de gás de síntese pela bactéria Clostridium ragsdalei. O processo compreende um fermentador contendo filmes biológicos tubulares, nos quais o microrganismo cresce aderido, e um sistema de recuperação que combina destilação a vácuo e permeação de vapor em membranas. Os componentes do gás de síntese (CO/CO2/H2) fluem pelo interior dos filmes tubulares, solubilizando-se no caldo de fermentação na medida em que atravessam os filmes devido à existência de uma força motriz. Durante a fermentação, uma corrente de caldo de fermentação do biorreator é bombeada para a coluna de destilação à vácuo, onde gera-se uma corrente de vapor contendo aproximadamente 30% (m/m) de etanol e uma corrente líquida de fundo que é reciclada para o fermentador. Por fim, a corrente de vapor passa por duas unidades de permeação de vapor contendo membranas hidrofílicas, resultando em um retentado final com concentração de etanol de 99% (m/m). Embora o processo da referida patente envolva produção e recuperação de etanol, a aplicação (fermentação de gás de síntese), e o sistema como um todo, não apresentam similaridades com a invenção proposta.[0024] The document CN101952451 describes a process for recovering ethanol and other liquid products produced by synthesis gas fermentation by the bacterium Clostridium ragsdalei. The process comprises a fermentor containing tubular biological films, in which the microorganism grows adhered, and a recovery system that combines vacuum distillation and vapor permeation in membranes. The components of the synthesis gas (CO/CO2/H2) flow through the interior of the tubular films, solubilizing in the fermentation broth as they pass through the films due to the existence of a driving force. During fermentation, a stream of fermentation broth from the bioreactor is pumped to the vacuum distillation column, where a steam stream containing approximately 30% (m/m) ethanol and a liquid bottom stream that is recycled is generated. to the fermenter. Finally, the vapor stream passes through two vapor permeation units containing hydrophilic membranes, resulting in a final retentate with an ethanol concentration of 99% (m/m). Although the process of that patent involves ethanol production and recovery, the application (synthesis gas fermentation), and the system as a whole, do not present similarities with the proposed invention.
[0025] O documento CN101003779 se refere a um sistema para produção, extração e recuperação de etanol. A invenção compreende tanque de fermentação, onde ocorre a produção de etanol e a remoção do mesmo por arraste gasoso com CO2, e unidade de recuperação composta de múltiplos dispositivos, a saber, separador gás-líquido, coluna de adsorção e coluna de absorção contendo solvente. O sistema opera em circuito fechado, no qual uma bomba diafragma à vácuo promove a recirculação da corrente gasosa. Diferindo da referida patente, além de não empregar adsorção e não utilizar vácuo na etapa de recuperação, o presente invento apresenta design mais simples, no qual o sistema de recuperação emprega apenas uma operação unitária, no caso, a absorção.[0025] Document CN101003779 refers to a system for the production, extraction and recovery of ethanol. The invention comprises a fermentation tank, where ethanol is produced and removed by gaseous entrainment with CO2, and a recovery unit composed of multiple devices, namely, gas-liquid separator, adsorption column and absorption column containing solvent . The system operates in a closed circuit, in which a vacuum diaphragm pump promotes the recirculation of the gaseous stream. Differing from that patent, in addition to not employing adsorption and not using a vacuum in the recovery step, the present invention has a simpler design, in which the recovery system employs only a unitary operation, in this case, absorption.
[0026] O documento US2014356920 se refere a diferentes métodos para recuperação de álcoois C3-C6 de soluções aquosas diluídas, tais como caldos de fermentação. Tais métodos permitem reduzir o consumo de energia e aumentar a quantidade de álcool produzida no processo. Em um dos métodos empregados, o caldo de fermentação é bombeado do fermentador para um tanque de destilação flash, que opera sob vácuo. Após a destilação, a corrente líquida resultante é reciclada para o fermentador enquanto a corrente de vapor enriquecida em álcool é conduzida para um dispositivo referido como condensador. Neste dispositivo, o vapor entra em contato com um solvente através de um mecanismo de pulverização e a solução líquida resultante é encaminhada para um separador líquido-líquido para posterior recuperação do álcool. O líquido pulverizado é, preferencialmente, o próprio álcool que está sendo recuperado no processo. A patente também descreve um método de recuperação em que destilação flash e condensação são acopladas no mesmo equipamento, que consiste em um vaso com dois compartimentos que se comunicam pela parte superior, permitindo apenas a passagem de vapor. A invenção em questão também aborda outras configurações de processo, mas nenhuma apresenta similaridade com o sistema proposto no presente invento. A patente em questão emprega destilação a vácuo para remoção do etanol do caldo de fermentação e unidade de recuperação composta de condensador e separador líquido-líquido e, portanto, não se assemelha com o sistema proposto na presente invenção. Ademais, o foco de aplicação desta patente é em álcoois (C3-C6) que apresentam moléculas maiores que a molécula do etanol (C2).[0026] The document US2014356920 refers to different methods for recovering C3-C6 alcohols from dilute aqueous solutions, such as fermentation broths. Such methods make it possible to reduce energy consumption and increase the amount of alcohol produced in the process. In one of the methods employed, the fermentation broth is pumped from the fermenter to a flash distillation tank, which operates under vacuum. After distillation, the resulting liquid stream is recycled to the fermentor while the alcohol-enriched steam stream is conducted to a device referred to as a condenser. In this device, the steam comes into contact with a solvent through a spraying mechanism and the resulting liquid solution is sent to a liquid-liquid separator for subsequent recovery of the alcohol. The sprayed liquid is, preferably, the alcohol itself that is being recovered in the process. The patent also describes a recovery method in which flash distillation and condensation are coupled in the same equipment, which consists of a vessel with two compartments that communicate at the top, allowing only the passage of steam. The invention in question also addresses other process configurations, but none has similarity to the system proposed in the present invention. The patent in question employs vacuum distillation to remove ethanol from the fermentation broth and a recovery unit composed of a liquid-liquid condenser and separator and, therefore, does not resemble the system proposed in the present invention. Furthermore, the application focus of this patent is on alcohols (C3-C6) that have molecules larger than the ethanol molecule (C2).
[0027] O documento US10150973 refere-se a um processo integrado para produção, separação e recuperação de produtos de fermentação microbiana, incluindo álcoois, cetonas e ácidos carboxílicos, empregando um sistema composto por duas colunas de adsorção. As colunas contêm partículas de um adsorvente e são providas de agitadores que garantem a homogeneização do sistema. Inicialmente, o processo é conduzido na primeira coluna, na qual o produto é produzido via fermentação e extraído por adsorção. Quando o crescimento do microrganismo é inibido pelo aumento da concentração de produto ou a produtividade em produto é reduzida, o caldo de fermentação é transferido para a segunda coluna, onde prosseguem a produção e a extração do produto. Os produtos adsorvidos na primeira coluna são recuperados por aquecimento ou usando composto eluente e, posteriormente, o adsorvente pode ser reutilizado. Durante o processo, as colunas são revezadas sempre que necessário, de modo que enquanto uma é utilizada para produzir e extrair o produto, a outra é utilizada para recuperá-lo. Tal estratégia garante produção, extração e recuperação contínuas do produto, mantendo a eficiência do processo. A presença de um filtro na parte inferior das colunas impede a passagem de material adsorvente de uma coluna para a outra. Embora seja um processo de produção, extração e recuperação de produto de fermentação, os métodos e o aparato utilizados não apresentam qualquer similaridade com os propostos no presente invento.[0027] The document US10150973 refers to an integrated process for production, separation and recovery of microbial fermentation products, including alcohols, ketones and carboxylic acids, employing a system composed of two adsorption columns. The columns contain particles of an adsorbent and are provided with stirrers that guarantee the homogenization of the system. Initially, the process is conducted in the first column, in which the product is produced via fermentation and extracted by adsorption. When the growth of the microorganism is inhibited by increasing the product concentration or the product productivity is reduced, the fermentation broth is transferred to the second column, where the production and extraction of the product proceeds. The adsorbed products in the first column are recovered by heating or using eluant compound and, later, the adsorbent can be reused. During the process, the columns are rotated whenever necessary, so that while one is used to produce and extract the product, the other is used to recover it. This strategy ensures continuous production, extraction and recovery of the product, maintaining process efficiency. The presence of a filter at the bottom of the columns prevents the passage of adsorbent material from one column to the other. Although it is a fermentation product production, extraction and recovery process, the methods and apparatus used do not show any similarity with those proposed in the present invention.
[0028] O documento US9962623 diz respeito a um processo integrado para remoção e recuperação de butanol e outros álcoois de caldo de fermentação empregando um sistema de vaporização a vácuo acoplado a uma coluna de absorção. O invento pode ser aplicado para remoção e recuperação de álcoois durante o processo de fermentação bem como em caldos fermentados. No processo, o caldo de fermentação é alimentado num sistema de destilação a vácuo (tanques flash) composto por um ou vários estágios, onde é processado, formando uma corrente de vapor enriquecida em álcool e uma corrente líquida de fundo com teor reduzido de álcool que é reciclada para a dorna de fermentação. A corrente de vapor é alimentada em sistema de absorção, onde entra em contato com um solvente capaz de absorver o álcool, podendo este solvente ser ácido graxo, glicol, glicerol, entre outros. Por fim, a solução de absorção formada é submetida à destilação para recuperação do álcool. Ainda, a patente em questão sugere como alternativa ao processo descrito, a injeção de gás no caldo de fermentação como uma operação de pré-vaporização a vácuo com o intuito de remover gases do caldo. Embora seja um processo integrado de produção e recuperação de álcoois e utilize absorção com glicol para recuperação, a referida patente apresenta diferenças evidentes do invento que está sendo aqui proposto, que não opera em condições de vácuo, emprega arraste gasoso como método de remoção do etanol, utiliza o CO2 produzido pela própria fermentação como gás de arraste, opera em circuito fechado com recirculação da fase gasosa e, ainda, a produção e remoção de etanol ocorrem simultaneamente na dorna de fermentação.[0028] The document US9962623 relates to an integrated process for removing and recovering butanol and other alcohols from fermentation broth employing a vacuum vaporization system coupled to an absorption column. The invention can be applied to the removal and recovery of alcohols during the fermentation process as well as in fermented broths. In the process, the fermentation broth is fed into a vacuum distillation system (flash tanks) composed of one or several stages, where it is processed, forming a steam stream enriched in alcohol and a bottom liquid stream with reduced alcohol content that it is recycled to the fermentation vessel. The steam stream is fed into an absorption system, where it comes into contact with a solvent capable of absorbing alcohol, which solvent may be fatty acid, glycol, glycerol, among others. Finally, the formed absorption solution is subjected to distillation to recover the alcohol. Furthermore, the patent in question suggests, as an alternative to the described process, the injection of gas into the fermentation broth as a vacuum pre-vaporization operation in order to remove gases from the broth. Although it is an integrated process for the production and recovery of alcohols and uses absorption with glycol for recovery, the aforementioned patent presents clear differences from the invention being proposed here, which does not operate under vacuum conditions, employs gaseous drag as a method for removing ethanol , uses the CO2 produced by the fermentation itself as carrier gas, operates in a closed circuit with recirculation of the gaseous phase, and also the production and removal of ethanol occur simultaneously in the fermentation tank.
[0029] O presente pedido revela um sistema integrado para produção de etanol por fermentação extrativa com arraste gasoso e recuperação por absorção e uso do mesmo que compreende um biorreator pneumático coluna de bolhas ou airlift acoplado a uma unidade de absorção gasosa com absorvedores configurados em série.[0029] The present application reveals an integrated system for ethanol production by extractive fermentation with gaseous entrainment and recovery by absorption and use thereof, comprising a pneumatic bubble column bioreactor or airlift coupled to a gas absorption unit with absorbers configured in series .
[0030] O dispersor do biorreator é do tipo placa perfurada ou cruzeta.[0030] The bioreactor disperser is of the perforated plate or crosshead type.
[0031] O gás de arraste da fermentação extrativa do presente sistema integrado é um gás inerte, preferencialmente o CO2.[0031] The extractive fermentation carrier gas of the present integrated system is an inert gas, preferably CO2.
[0032] O sistema integrado opera em circuito fechado com recirculação de CO2 produzido pela fermentação alcoólica.[0032] The integrated system operates in a closed circuit with recirculation of CO2 produced by alcoholic fermentation.
[0033] O componente utilizado na unidade de absorção gasosa do presente sistema integrado é ao menos um dentre glicerol, monoetilenoglicol, dietilenoglicol ou outros absorventes com alta afinidade pelo etanol.[0033] The component used in the gas absorption unit of this integrated system is at least one of glycerol, monoethylene glycol, diethylene glycol or other absorbents with high affinity for ethanol.
[0034] O Gás de arraste do presente sistema integrado é alimentado ao biorreator pneumático por meio de aspersor localizado na base do biorreator.[0034] The Carrier Gas of the present integrated system is fed to the pneumatic bioreactor through a sprinkler located at the base of the bioreactor.
[0035] A corrente gasosa de CO2, etanol e água da saída do biorreator pneumático é direcionada para a unidade de absorção.[0035] The gaseous stream of CO2, ethanol and water from the output of the pneumatic bioreactor is directed to the absorption unit.
[0036] A corrente de saída da unidade de absorção do sistema contendo CO2, traços de água e etanol não recuperado do presente sistema integrado é reciclada para o biorreator por intermédio de uma bomba de diafragma.[0036] The output current of the system absorption unit containing CO2, trace water and unrecovered ethanol from the present integrated system is recycled to the bioreactor by means of a diaphragm pump.
[0037] A unidade de absorção do presente sistema integrado é composta por frascos lavadores de gás do tipo Dreschel, confeccionados em vidro borossilicato com capacidade total de 1 L, definidos como absorvedores do tipo coluna de bolhas.[0037] The absorption unit of the present integrated system is composed of Dreschel type gas washer bottles, made of borosilicate glass with a total capacity of 1 L, defined as bubble column type absorbers.
[0038] Os dispositivos da unidade de absorção são equipados com aspersor localizado nas bases dos mesmos.[0038] The devices of the absorption unit are equipped with sprinkler located on the bases of the same.
[0039] O emprego do dito sistema integrado é em processo de produção, extração e recuperação de etanol ou de outros compostos voláteis.[0039] The use of said integrated system is in the process of production, extraction and recovery of ethanol or other volatile compounds.
[0040] A presente invenção refere-se a um sistema integrado de produção, extração e recuperação de etanol. A técnica pode ser empregada durante a fermentação alcoólica como um sistema de fermentação extrativa, na extração e recuperação de etanol de vinhos delevedurados obtidos após a separação das leveduras do caldo fermentado ou de qualquer outra solução hidroalcóolica, bem como a extração e recuperação de outros compostos voláteis presentes em caldos de fermentação ou em misturas de líquidos com diferentes volatilidades em modo contínuo em sistema fechado com reciclo da fase gasosa. O presente pedido de patente destaca a aplicação do sistema desenvolvido no processo de produção de etanol a partir da sacarose, mas a proposta pode ser expandida para extração e recuperação de outros compostos inibidores obtidos por via fermentativa ou compostos voláteis presentes em soluções aquosas.[0040] The present invention refers to an integrated system for the production, extraction and recovery of ethanol. The technique can be used during alcoholic fermentation as an extractive fermentation system, in the extraction and recovery of ethanol from fermented wines obtained after the separation of yeasts from the fermented broth or any other hydroalcoholic solution, as well as the extraction and recovery of other compounds volatiles present in fermentation broths or in mixtures of liquids with different volatilities in continuous mode in a closed system with gas phase recycling. The present patent application highlights the application of the system developed in the ethanol production process from sucrose, but the proposal can be expanded to extract and recover other inhibitor compounds obtained by fermentation or volatile compounds present in aqueous solutions.
[0041] Figura 1 – Desenho esquemático do biorreator pneumático tipo coluna de bolhas aplicado no exemplo.[0041] Figure 1 - Schematic drawing of the pneumatic bubble column type bioreactor applied in the example.
[0042] Figura 2 – Comparação entre os desempenhos do processo convencional e do sistema proposto de produção de etanol: (a) concentração de ART no mosto (volume de mosto correspondente a 70% do volume útil); (b e c) produção de etanol; (d) geração de vinhaça.[0042] Figure 2 - Comparison between the performance of the conventional process and the proposed system for ethanol production: (a) concentration of ART in the must (wort volume corresponding to 70% of the useful volume); (b and c) ethanol production; (d) vinasse generation.
[0043] Figura 3 – Desenho esquemático do sistema integrado de produção, extração e recuperação de etanol de caldo de fermentação durante a fermentação extrativa.[0043] Figure 3 - Schematic drawing of the integrated production, extraction and recovery of ethanol from fermentation broth during extractive fermentation.
[0044] Figura 4 - Valores experimentais das concentrações de ART (CART, ○), células viáveis (CX, ■) e etanol (CE, ▲) no caldo ao longo do tempo nas fermentações: (a) convencional e (b) extrativa.[0044] Figure 4 - Experimental values of the concentrations of ART (CART, ○), viable cells (CX, ■) and ethanol (EC, ▲) in the broth over time in the fermentations: (a) conventional and (b) extractive .
[0045] Figura 5 - Valores experimentais de concentração de etanol ao longo do tempo na fermentação extrativa: (■) 1º absorvedor e (□) 2º absorvedor. A seta indica o instante em que foi realizada a troca dos absorvedores.[0045] Figure 5 - Experimental values of ethanol concentration over time in extractive fermentation: (■) 1st absorber and (□) 2nd absorber. The arrow indicates the time when the exchange of absorbers was carried out.
[0046] No sistema proposto, a extração de etanol é promovida por arraste gasoso com gás inerte, preferencialmente CO2, e a recuperação se dá por absorção gasosa empregando um sistema de absorvedores configurados em série e utilizando glicerol, glicóis (mono ou dietilenoglicol, MEG ou DEG) ou outros absorventes com alta afinidade pelo etanol. O invento emprega um sistema fechado com recirculação do CO2 produzido na própria fermentação alcoólica. O funcionamento do sistema é caracterizado pela passagem de CO2 através do biorreator (dorna) contendo caldo de fermentação ou vinho delevedurado obtido da centrifugação do caldo ao final da fermentação ou qualquer solução hidroalcoólica, removendo preferencialmente o etanol. A corrente gasosa resultante contendo CO2, etanol e água é direcionada para o sistema de recuperação. Na sequência, a corrente de saída do sistema de recuperação contendo CO2 e traços de água e etanol não recuperado é reciclada para o biorreator, fechando o circuito e evitando perdas no processo.[0046] In the proposed system, the extraction of ethanol is promoted by gaseous entrainment with inert gas, preferably CO2, and the recovery is by gaseous absorption using a system of absorbers configured in series and using glycerol, glycols (mono or diethylene glycol, MEG or DEG) or other absorbents with high affinity for ethanol. The invention employs a closed system with recirculation of CO2 produced in alcoholic fermentation itself. The functioning of the system is characterized by the passage of CO2 through the bioreactor (vair) containing fermentation broth or dewatered wine obtained from centrifugation of the broth at the end of fermentation or any hydroalcoholic solution, preferably removing the ethanol. The resulting gaseous stream containing CO2, ethanol and water is routed to the recovery system. Subsequently, the output current of the recovery system containing CO2 and traces of water and unrecovered ethanol is recycled to the bioreactor, closing the circuit and avoiding losses in the process.
[0047] O biorreator utilizado no exemplo da presente invenção é do tipo pneumático modelo coluna de bolhas, podendo ser substituído por um modelo airlift de cilindros concêntricos ou “split”, com capacidade de 2 L (Figura 1). O biorreator (1) possui base cilíndrica encamisada (2), tampa superior (3) e aspersor (4) confeccionados em aço inoxidável e corpo (5) em vidro borossilicato, apresentando as caraterísticas geométricas:
- - Altura total denominada como “H1”;
- - Altura da coluna de líquido denominada como “H2”;
- - Diâmetro interno denominado como “D1”;
- - Diâmetro externo denominado como “D2”;
- - Relação entre “H2” e “D1”
2,5 < H2/D1 < 5,0.de
- - Total height designated as “H1”;
- - Height of the column of liquid called “H2”;
- - Internal diameter named as “D1”;
- - External diameter named as “D2”;
- - Ratio between “H2” and “D1” of 2.5 < H2/D1 < 5.0.
[0048] O aspersor (4), localizado na parte inferior do biorreator é do tipo placa perfurada (41) ou cruzeta (42), e contém orifícios para injeção de gás inerte, preferencialmente CO2.[0048] The sprinkler (4), located at the bottom of the bioreactor is of the perforated plate (41) or crosshead (42) type, and contains holes for injection of inert gas, preferably CO2.
[0049] O sistema de recuperação de etanol é composto por frascos lavadores de gás do tipo Dreschel confeccionados em vidro borossilicato, caracterizados como absorvedores do tipo coluna de bolhas. Os dispositivos são equipados com aspersor localizado na parte inferior.[0049] The ethanol recovery system is composed of Dreschel type gas washing flasks made of borosilicate glass, characterized as bubble column type absorbers. Devices are equipped with a sprinkler located at the bottom.
[0050] A aplicação da invenção para extração e recuperação de etanol durante a fermentação proporciona melhora significativa de desempenho no processo de produção de etanol, sendo constatados elevado consumo de substrato com consequente produção total de etanol em torno de 60% superior em relação ao processo convencional utilizado industrialmente, bem como eventual redução na produção de vinhaça em aproximadamente 50%, conforme ilustrado na Figura 2. Destaca-se que a porcentagem de recuperação de etanol no sistema proposto é de aproximadamente 100%.[0050] The application of the invention for the extraction and recovery of ethanol during fermentation provides a significant improvement in performance in the ethanol production process, with high substrate consumption with consequent total ethanol production around 60% higher than in the process. conventional used industrially, as well as an eventual reduction in the production of vinasse by approximately 50%, as illustrated in Figure 2. It is noteworthy that the percentage of ethanol recovery in the proposed system is approximately 100%.
[0051] Do ponto de vista de uma possível implementação em escala industrial, a utilização de absorção com MEG para recuperação de etanol apresenta grande vantagem. Algumas destilarias já utilizam torres para lavagem do gás de saída das dornas de fermentação com água para minimizar perdas de etanol. De forma análoga, unidades de absorção podem ser instaladas na planta industrial para recuperar o etanol removido por arraste gasoso. Além disso, o MEG já é empregado em destilarias na etapa de destilação extrativa para obtenção do etanol anidro. Dessa forma, a solução resultante dos absorvedores (MEG + água + etanol) pode ser alimentada diretamente na coluna de destilação extrativa para a obtenção de etanol anidro e recuperação do MEG.[0051] From the point of view of a possible implementation on an industrial scale, the use of absorption with MEG for ethanol recovery presents great advantage. Some distilleries already use towers to wash the exit gas from the fermentation vats with water to minimize ethanol losses. Similarly, absorption units can be installed in the industrial plant to recover the ethanol removed by gaseing. In addition, MEG is already used in distilleries in the extractive distillation step to obtain anhydrous ethanol. Thus, the resulting solution of the absorbers (MEG + water + ethanol) can be fed directly into the extractive distillation column to obtain anhydrous ethanol and recover the MEG.
[0052] Visando melhor entendimento do processo desenvolvido, optou-se por descrevê-lo a partir de um exemplo detalhado, apresentado como segue:
Duas condições de fermentação alcoólica em batelada alimentada foram realizadas, sendo uma convencional com concentração de substrato no mosto de 256 kg m-3 (correspondente a 179,2 kg m-3 de ART consumido) e outra com extração e recuperação de etanol com concentração de substrato no mosto de 401 kg m-3 (correspondente a 280,7 kg m-3 de ART consumido). As condições experimentais da fermentação convencional foram similares às do processo industrial de produção de etanol, sem remoção e/ou recuperação de etanol ao longo da fermentação. Os resultados foram utilizados como referência na comparação com o desempenho da fermentação extrativa integrada com a etapa de recuperação de etanol do caldo de fermentação, proposta da presente invenção. A extração foi promovida por arraste gasoso com CO2 e a recuperação por absorção gasosa empregando MEG como absorvente. Empregou-se um sistema fechado com recirculação do CO2 produzido na própria fermentação alcoólica.[0052] In order to better understand the developed process, it was decided to describe it from a detailed example, presented as follows:
Two conditions of alcoholic fermentation in fed batches were carried out, one conventional with substrate concentration in the wort of 256 kg m-3 (corresponding to 179.2 kg m-3 of consumed ART) and another with extraction and recovery of ethanol with concentration of substrate in the wort of 401 kg m-3 (corresponding to 280.7 kg m-3 of consumed ART). The experimental conditions of conventional fermentation were similar to those of the industrial ethanol production process, with no removal and/or recovery of ethanol throughout fermentation. The results were used as a reference to compare the performance of extractive fermentation integrated with the step of recovering ethanol from the fermentation broth, proposed by the present invention. Extraction was carried out by gaseous entrainment with CO2 and recovery by gaseous absorption using MEG as an absorbent. A closed system with recirculation of CO2 produced in alcoholic fermentation was used.
[0053] A linhagem industrial liofilizada Saccharomyces cerevisiae Y904 (AB Brasil Indústria e Comércio de Alimentos Ltda, Brasil) foi utilizada como microrganismo produtor de etanol. O mosto da fermentação convencional teve a seguinte composição: sacarose (243,0 kg m-3, equivalente a 256,0 kg m-3 de açúcares redutores totais, ART), KH2PO4 (8,0 kg m-3), MgSO4.7H2O (2,0 kg m-3), extrato de levedura (9,7 kg m-3) e ureia (7,6 kg m-3). Os mesmos componentes foram utilizados no mosto da fermentação extrativa, mas em concentrações diferentes, a saber: sacarose (381,0 kg m-3, equivalente a 401,0 kg m-3 de ART) KH2PO4 (9,6 kg m-3), MgSO4.7H2O (2,4 kg m-3), extrato de levedura (11,7 kg m-3) e ureia (9,1 kg m-3). O pH inicial foi ajustado em 4,6 adicionando solução de HCl 1M. Tais mostos simularam o melaço da cana-de-açúcar diluído empregado industrialmente.[0053] The lyophilized industrial strain Saccharomyces cerevisiae Y904 (AB Brasil Indústria e Comércio de Alimentos Ltda, Brazil) was used as an ethanol-producing microorganism. The must from conventional fermentation had the following composition: sucrose (243.0 kg m-3, equivalent to 256.0 kg m-3 of total reducing sugars, ART), KH2PO4 (8.0 kg m-3), MgSO4. 7H2O (2.0 kg m-3), yeast extract (9.7 kg m-3) and urea (7.6 kg m-3). The same components were used in the extractive fermentation wort, but at different concentrations, namely: sucrose (381.0 kg m-3, equivalent to 401.0 kg m-3 of ART) KH2PO4 (9.6 kg m-3 ), MgSO4.7H2O (2.4 kg m-3), yeast extract (11.7 kg m-3) and urea (9.1 kg m-3). Initial pH was adjusted to 4.6 by adding 1M HCl solution. Such musts simulated the diluted sugarcane molasses used industrially.
[0054] As fermentações foram conduzidas em biorreator pneumático modelo coluna de bolhas (1), mostrado na Figura 1, podendo ser também empregado um modelo airlift de cilindros concêntricos ou airlift tipo “split”. A levedura (40 g, base seca) foi previamente hidratada em 0,6 L de água destilada, correspondente a 30% do volume útil do biorreator. A suspensão foi aclimatada por 20 minutos sob agitação e, então, inoculada ao biorreator. O mosto (1,4 L) foi alimentado utilizando bomba peristáltica à vazão volumétrica constante até o enchimento do biorreator (2,0 L). Os tempos de enchimento utilizados nas fermentações foram diferentes, sendo de 5 h na convencional e 8 h na extrativa. O maior tempo de enchimento na fermentação extrativa foi necessário para evitar inibição pelo substrato. Durante as fermentações, a agitação do caldo foi feita empregando bomba peristáltica. Antiespumante comercial foi adicionado, quando necessário, para controlar a formação excessiva de espuma. A temperatura foi mantida em 34 °C recirculando água de um banho termostático para a camisa do biorreator. As fermentações foram realizadas em duplicata e conduzidas até o consumo completo do substrato. Amostras foram retiradas periodicamente dos caldos das fermentações para determinação das concentrações de substrato (ART), etanol e de células viáveis e das soluções dos absorvedores durante a fermentação extrativa para análise do teor de etanol. Os volumes s das fases líquidas do biorreator e dos absorvedores foram também monitorados.[0054] The fermentations were conducted in a pneumatic bioreactor bubble column model (1), shown in Figure 1, and a concentric cylinder airlift model or "split" type airlift can also be used. The yeast (40 g, dry basis) was previously hydrated in 0.6 L of distilled water, corresponding to 30% of the useful volume of the bioreactor. The suspension was acclimated for 20 minutes under agitation and then inoculated into the bioreactor. The must (1.4 L) was fed using a peristaltic pump at a constant volumetric flow until filling the bioreactor (2.0 L). The filling times used in the fermentations were different, being 5 h in conventional and 8 h in extractive. The longer filling time in extractive fermentation was necessary to avoid substrate inhibition. During fermentations, the broth was stirred using a peristaltic pump. Commercial defoamer was added, where necessary, to control excessive foaming. The temperature was maintained at 34 °C by recirculating water from a thermostatic bath to the jacket of the bioreactor. Fermentations were carried out in duplicate and carried out until the complete consumption of the substrate. Samples were periodically taken from the fermentation broths to determine substrate (ART), ethanol and viable cell concentrations, and from absorber solutions during extractive fermentation to analyze the ethanol content. The volumes of the liquid phases of the bioreactor and the absorbers were also monitored.
[0055] A Figura 3 ilustra o sistema proposto. Durante a fermentação extrativa em batelada alimentada, o arraste gasoso no biorreator (1) foi iniciado na 3ª hora de processo, momento em que o teor de etanol na dorna começa a inibir com mais intensidade o metabolismo da levedura (SONEGO et al., 2014). Antes de iniciar o arraste gasoso, todo o ar presente nas linhas do sistema foi retirado utilizando o próprio CO2 gerado pela fermentação alcóolica durante as três primeiras horas. A mistura gasosa de saída do biorreator (CO2 + etanol + água) foi direcionada para o sistema de absorção composto por dois absorvedores (6) e (7) configurados em série contendo cada um 0,80 L de MEG e mantidos a 25 °C por imersão em banho termostático. A corrente de saída do primeiro absorvedor (6) foi conectada na entrada do segundo absorvedor (7). A corrente de saída do segundo absorvedor (7) contendo CO2 e traços de água e etanol não recuperado foi reciclada ao biorreator (1) através de bomba de diafragma (8). A vazão volumétrica de CO2 utilizada foi de 5 L min-1, que correspondeu à vazão específica de 2,5 vvm (razão entre a vazão volumétrica de gás e o volume de caldo), valor utilizado em trabalhos prévios de fermentação alcoólica extrativa (SONEGO et al., 2016; RODRIGUES et al., 2018). Como a vazão de operação da bomba era maior que a vazão necessária no sistema, foi introduzida uma corrente de reciclo para controlar a vazão, com parte da corrente de descarga redirecionada para a sucção da bomba passando por uma válvula (9). A vazão foi mantida através da regulação da válvula (9) e utilizando como base a medida de vazão de um fluxômetro de massa (10). Na corrente de reciclo foi instalada uma serpentina (11) imersa em banho termostático à 25 °C para evitar o superaquecimento do equipamento. Para aliviar a pressão na linha, o excesso de CO2 produzido durante a fermentação foi purgado utilizando uma válvula (12) acionada por controlador (13) equipado com sensor de pressão instalado em uma tomada de pressão (14). A válvula (12) foi programada para abrir e fechar de modo a garantir que o ponto de menor pressão na linha (sucção da bomba) fosse sempre mantido à uma pressão manométrica positiva, a fim de impedir a entrada de ar no sistema durante o processo. Devido à longa duração da fermentação extrativa, foi necessário realizar a troca dos absorvedores para evitar a saturação da solução de absorção. No procedimento, o primeiro absorvedor (6), com maior concentração de etanol, foi retirado do processo sendo substituído pelo segundo absorvedor (7), com menor concentração de etanol. Outro absorvedor contendo MEG puro (15) foi então inserido no lugar do segundo absorvedor (7). Esta troca foi realizada na 10ª hora de fermentação. [0056] As concentrações de etanol, glicose, frutose e sacarose nos caldos de fermentação e a concentração de etanol nas soluções dos absorvedores foram determinadas utilizando metodologias baseadas na combinação da técnica de espectroscopia de infravermelho médio por transformada de Fourier (FT-IR) com o método de regressão multivariada dos mínimos quadrados parciais (RODRIGUES et al., 2018; RODRIGUES et al., 2020). A concentração de células viáveis foi determinada pelo produto entre a concentração total de células, obtida por método gravimétrico, e a porcentagem de células viáveis, obtida por método de coloração.[0055] Figure 3 illustrates the proposed system. During the fed-batch extractive fermentation, the gaseous entrainment in the bioreactor (1) was started in the 3rd hour of the process, at which time the ethanol content in the vats begins to inhibit the yeast metabolism more intensely (SONEGO et al., 2014 ). Before starting the gaseous drag, all the air present in the system lines was removed using the CO2 generated by alcoholic fermentation during the first three hours. The bioreactor exit gas mixture (CO2 + ethanol + water) was directed to the absorption system composed of two absorbers (6) and (7) configured in series, each containing 0.80 L of MEG and kept at 25 °C by immersion in a thermostatic bath. The output current of the first absorber (6) was connected to the input of the second absorber (7). The output current of the second absorber (7) containing CO2 and traces of water and unrecovered ethanol was recycled to the bioreactor (1) through a diaphragm pump (8). The volumetric flow of CO2 used was 5 L min-1, which corresponded to a specific flow of 2.5 vvm (ratio between the volumetric flow of gas and the volume of broth), a value used in previous studies on extractive alcoholic fermentation (SONEGO et al., 2016; RODRIGUES et al., 2018). As the pump operating flow was greater than the flow required in the system, a recycle stream was introduced to control the flow, with part of the discharge current redirected to the pump suction passing through a valve (9). The flow was maintained by regulating the valve (9) and using as a basis the flow measurement of a mass flowmeter (10). A coil (11) immersed in a thermostatic bath at 25 °C was installed in the recycling stream to prevent the equipment from overheating. To relieve the pressure in the line, the excess CO2 produced during fermentation was purged using a valve (12) activated by a controller (13) equipped with a pressure sensor installed in a pressure tap (14). The valve (12) was programmed to open and close in order to ensure that the point of lowest pressure in the line (pump suction) was always maintained at a positive gauge pressure, in order to prevent the entry of air into the system during the process. . Due to the long duration of extractive fermentation, it was necessary to change the absorbers to avoid saturation of the absorption solution. In the procedure, the first absorber (6), with a higher concentration of ethanol, was removed from the process and replaced by the second absorber (7), with a lower concentration of ethanol. Another absorber containing pure MEG (15) was then inserted in place of the second absorber (7). This exchange was carried out in the 10th hour of fermentation. [0056] The concentrations of ethanol, glucose, fructose and sucrose in the fermentation broths and the concentration of ethanol in the absorber solutions were determined using methodologies based on the combination of the Fourier transform (FT-IR) medium infrared spectroscopy technique with the partial least squares multivariate regression method (RODRIGUES et al., 2018; RODRIGUES et al., 2020). The viable cell concentration was determined by the product between the total cell concentration, obtained by the gravimetric method, and the percentage of viable cells, obtained by the staining method.
[0056] As concentrações de etanol, glicose, frutose e sacarose nos caldos de fermentação e a concentração de etanol nas soluções dos absorvedores foram determinadas utilizando metodologias baseadas na combinação da técnica de espectroscopia de infravermelho médio por transformada de Fourier (FT-IR) com o método de regressão multivariada dos mínimos quadrados parciais (RODRIGUES et al., 2018; RODRIGUES et al., 2020). A concentração de células viáveis foi determinada pelo produto entre a concentração total de células, obtida por método gravimétrico, e a porcentagem de células viáveis, obtida por método de coloração.[0056] The concentrations of ethanol, glucose, fructose and sucrose in the fermentation broths and the concentration of ethanol in the absorber solutions were determined using methodologies based on the combination of the Fourier transform (FT-IR) medium infrared spectroscopy technique with the partial least squares multivariate regression method (RODRIGUES et al., 2018; RODRIGUES et al., 2020). The viable cell concentration was determined by the product between the total cell concentration, obtained by the gravimetric method, and the percentage of viable cells, obtained by the staining method.
[0057] O desempenho de recuperação foi avaliado utilizando a porcentagem de recuperação de etanol (ER), conforme a Equação 1, na qual o denominador representa a diferença entre a massa de etanol produzido e a massa de etanol presente no caldo.onde mERec é a massa de etanol recuperada por absorção (kg), mERem é a massa de etanol removida do biorreator por arraste gasoso (kg), NA é o número de absorvedores utilizados no experimento, CEAb é a concentração total de etanol recuperado no absorvedor “n” (kg m-3), VAb é o volume de solução no absorvedor “n” (m3), mEPro é a massa de etanol produzida (kg) calculada com base na massa de substrato alimentado e no coeficiente de rendimento em etanol (YE/ART) obtido na fermentação convencional (kgE kgART-1) e mECal é a massa de etanol no caldo ao final da fermentação (kg).[0057] The recovery performance was evaluated using the percentage of ethanol recovery (ER), according to
[0058] Uma síntese dos principais resultados das fermentações convencional e extrativa é apresentada na Tabela 1. Os valores das concentrações de células viáveis (CX), ART (CART) e etanol (CE) estão dispostos na Figura 4. [0058] A synthesis of the main results of conventional and extractive fermentation is presented in Table 1. The values of viable cell concentrations (CX), ART (CART) and ethanol (CE) are shown in Figure 4.
[0059] CART-M a é a concentração de ART no mosto, bART consumido é a concentração de ART consumida considerando o volume útil do biorreator, CEfC é a concentração final de etanol no caldo de fermentação, CETd é a concentração total de etanol produzido (para a fermentação extrativa é calculada considerando etanol presente na dorna somada ao etanol recuperado nos absorvedores), PE e é a produtividade volumétrica em etanol, CVf é a porcentagem de células viáveis, ERg é a porcentagem de recuperação de etanol e VVinhaça/VEtanolh é a relação entre o volume de vinhaça gerada e o volume de etanol produzido.[0059] CART-M a is the concentration of ART in the wort, bART consumed is the concentration of ART consumed considering the useful volume of the bioreactor, CEfC is the final concentration of ethanol in the fermentation broth, CETd is the total concentration of ethanol produced (for extractive fermentation it is calculated considering ethanol present in the vats plus ethanol recovered in the absorbers), PE and is the volumetric productivity in ethanol, CVf is the percentage of viable cells, ERg is the percentage of ethanol recovery and VVinhaça/VEtanolh is the relationship between the volume of vinasse generated and the volume of ethanol produced.
[0060] Na fermentação convencional, o consumo completo de ART ocorreu em 8 h. A concentração final de etanol no caldo foi de 80,4 kg m-3 e a produtividade em etanol de 10,1 kg m3 h-1. O coeficiente de rendimento em etanol (YE/ART), definido como a razão entre a massa de etanol produzido e a massa de ART consumida, foi de 0,449 kgE kgART-1, correspondendo a 88% do coeficiente de rendimento teórico (0,511 kgE kgART-1). No geral, estes resultados foram similares àqueles observados em fermentações alcoólicas industriais.[0060] In conventional fermentation, complete consumption of ART occurred within 8 h. The final concentration of ethanol in the broth was 80.4 kg m-3 and the ethanol productivity of 10.1 kg m3 h-1. The ethanol yield coefficient (YE/ART), defined as the ratio between the mass of ethanol produced and the mass of ART consumed, was 0.449 kgE kgART-1, corresponding to 88% of the theoretical yield coefficient (0.511 kgE kgART -1). Overall, these results were similar to those observed in industrial alcoholic fermentations.
[0061] Com relação à fermentação extrativa, o consumo completo de substrato ocorreu em 15 h. Durante a alimentação do mosto, mesmo com a alta carga de açúcar alimentada, a concentração de substrato não ultrapassou 120 kg m-3 e, portanto, não ocorreu limitação do processo por inibição pelo substrato. A produção total de etanol no processo (etanol presente na dorna somado ao etanol recuperado nos absorvedores) foi de 125,8 kg m-3 (15,9 °GL), valor 56 % maior que o observado na fermentação convencional. A concentração final de etanol no caldo foi de 87,1 kg m-3. Este valor foi maior que a concentração obtida na fermentação convencional, o que significa que o vinho resultante poderia ser direcionado para a destilação sem comprometer e eficiência energética do processo. Por fim, a produtividade em etanol foi de 8,4 kg m-3 h-1, apenas 17% inferior à produtividade do processo convencional. Tal diferença pode ser compensada utilizando maior densidade de células no processo ou utilizando estratégias para otimização da alimentação de mosto e do arraste gasoso. Com relação à viabilidade celular, no início da fermentação extrativa a mesma foi de 61,2% e aumentou ao longo do tempo alcançando 81,2% ao final do processo, valor maior do que o observado na fermentação convencional (64,5%).[0061] With respect to extractive fermentation, the complete consumption of substrate occurred in 15 h. During must feeding, even with the high sugar load fed, the substrate concentration did not exceed 120 kg m-3 and, therefore, there was no process limitation by substrate inhibition. The total production of ethanol in the process (ethanol present in the vats added to the ethanol recovered in the absorbers) was 125.8 kg m-3 (15.9 °GL), a value 56% higher than that observed in conventional fermentation. The final concentration of ethanol in the broth was 87.1 kg m-3. This value was higher than the concentration obtained in conventional fermentation, which means that the resulting wine could be directed to distillation without compromising the energy efficiency of the process. Finally, the ethanol productivity was 8.4 kg m-3 h-1, only 17% lower than the conventional process. This difference can be compensated by using a higher cell density in the process or by using strategies to optimize the wort feed and gaseous carryover. Regarding cell viability, at the beginning of extractive fermentation it was 61.2% and increased over time reaching 81.2% at the end of the process, a value higher than that observed in conventional fermentation (64.5%) .
[0062] No que se refere à etapa de recuperação, a porcentagem de etanol recuperado (ER) na fermentação extrativa foi de ~100% (Tabela 1), indicando um excelente desempenho da absorção como método de recuperação do etanol extraído durante a fermentação. Os dados experimentais de concentração de etanol ao longo do tempo nos absorvedores são mostrados na Figura 5.[0062] With regard to the recovery step, the percentage of recovered ethanol (RE) in extractive fermentation was ~100% (Table 1), indicating an excellent performance of absorption as a method of recovery of the ethanol extracted during fermentation. Experimental data of ethanol concentration over time in absorbers are shown in Figure 5.
[0063] O volume de vinhaça gerado no processo de produção de etanol depende da concentração de etanol no caldo ao final da fermentação. Na fermentação convencional, a concentração de etanol final no caldo foi de 80,4 kg m-3 (10,2°GL), o que corresponde à geração de 9,3 m3 Vinhaça m-3 Etanol (LOPES et al., 2016). Na fermentação extrativa, a concentração de etanol final no caldo foi de 87,1 kg m-3 (11°GL). A destilação de um vinho com este teor alcoólico geraria 8,5 m3 Vinhaça m-3 Etanol (LOPES et al., 2016). No entanto, esta concentração de etanol em termos de massa, corresponde a 58% do total de etanol produzido (massa de etanol presente no caldo de fermentação somada à massa de etanol recuperado nos absorvedores). O restante (42%) foi recuperado nos absorvedores e, portanto, não é passível de geração de vinhaça uma vez que foi removido do caldo. Portanto, a relação entre o volume de vinhaça gerado e o volume de etanol produzido utilizando o sistema proposto é de 4,9 m3 Vinhaça m-3 Etanol, representando uma redução de 47% em relação ao volume de vinhaça gerado na fermentação convencional.[0063] The volume of vinasse generated in the ethanol production process depends on the concentration of ethanol in the juice at the end of fermentation. In conventional fermentation, the final ethanol concentration in the broth was 80.4 kg m-3 (10.2°GL), which corresponds to the generation of 9.3 m3 Vinasse m-3 Ethanol (LOPES et al., 2016 ). In extractive fermentation, the final ethanol concentration in the broth was 87.1 kg m-3 (11°GL). The distillation of a wine with this alcohol content would generate 8.5 m3 Vinasse m-3 Ethanol (LOPES et al., 2016). However, this concentration of ethanol in terms of mass corresponds to 58% of the total ethanol produced (mass of ethanol present in the fermentation broth added to the mass of ethanol recovered in the absorbers). The remainder (42%) was recovered in the absorbers and, therefore, cannot generate vinasse once it has been removed from the broth. Therefore, the ratio between the volume of vinasse generated and the volume of ethanol produced using the proposed system is 4.9 m3 Vinasse m-3 Ethanol, representing a 47% reduction in relation to the volume of vinasse generated in conventional fermentation.
[0064] Embora tenha sido descrita a aplicação do presente invento como um sistema de fermentação extrativa, o mesmo também pode ser utilizado para extração e recuperação de etanol de vinho delevedurado ou de qualquer solução hidroalcoólica. Neste caso, ar atmosférico pode ser empregado como gás de arraste, alternativamente ao CO2. Ainda, o invento pode ser estendido para extração e recuperação de outros álcoois e/ou solventes voláteis presentes em caldos fermentados e outras soluções aquosas. [0065] Pode-se afirmar que os resultados obtidos foram muito representativos visto que no processo industrial a perda de etanol arrastado pelo CO2 produzido durante a fermentação pode chegar a 2% se o gás de saída das dornas não for lavado, enquanto que a perda de etanol no sistema proposto foi praticamente nula. Além disso, se calculada a eficiência global da fermentação extrativa, dada pela relação entre a massa total de etanol ao final do processo (etanol presente no caldo somado ao etanol presente nos absorvedores) e a massa de substrato alimentada, o valor (0,448 kgEtanol kgsubstrato-1) foi praticamente igual ao valor de YE/ART da fermentação convencional (0,449 kgEtanol kgsubstrato1).Ou seja, a eficiência global obtida com a presente invenção é igual à do processo convencional, mas com a vantagem de se alimentar um mosto 56% mais concentrado em açúcar que o do processo convencional, o que implica em uma eventual redução de 47% na quantidade de vinhaça gerada, um destaque do sistema proposto. Ademais, a solução resultante da absorção (contendo etanol, água e MEG) pode ser alimentada diretamente numa coluna de destilação extrativa para obtenção do etanol anidro, tal como é realizado atualmente nas destilarias.[0064] Although the application of the present invention as an extractive fermentation system has been described, it can also be used for extraction and recovery of ethanol from yeasty wine or any hydroalcoholic solution. In this case, atmospheric air can be used as a carrier gas, alternatively to CO2. Furthermore, the invention can be extended to extraction and recovery of other alcohols and/or volatile solvents present in fermented broths and other aqueous solutions. [0065] It can be said that the results obtained were very representative since in the industrial process the loss of ethanol dragged by the CO2 produced during fermentation can reach 2% if the exhaust gas from the vats is not washed, while the loss of ethanol in the proposed system was practically nil. In addition, if the global efficiency of extractive fermentation is calculated, given by the ratio between the total mass of ethanol at the end of the process (ethanol present in the broth plus the ethanol present in the absorbers) and the fed substrate mass, the value (0.448 kgEthanol kgsubstrate -1) was practically equal to the YE/ART value of conventional fermentation (0.449 kgEthanol kgsubstrate1). In other words, the overall efficiency obtained with the present invention is equal to that of the conventional process, but with the advantage of feeding a 56% wort. more concentrated in sugar than the conventional process, which implies an eventual reduction of 47% in the amount of vinasse generated, a highlight of the proposed system. Furthermore, the solution resulting from the absorption (containing ethanol, water and MEG) can be fed directly into an extractive distillation column to obtain anhydrous ethanol, as is currently done in distilleries.
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