BR112018071311B1 - processo de produção de biocombustíveis a partir de biomassa após a destilação da biomassa - Google Patents
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Abstract
A presente invenção se refere, em geral, a um processo inovador no qual mosto fino é processado para produzir óleo de algas e biomassa rica em proteína assim como outros subprodutos ricos em energia. De acordo com uma modalidade preferencial, o mosto fino é removido de um evaporador durante o processo de evaporação para produzir mosto intermediário. Esse mosto intermediário é preferencialmente encaminhado para um novo processo onde o mesmo é direcionado para uma centrífuga de pré-tratamento para remover sólidos suspensos, borra e óleo de milho. Posteriormente, o mosto intermediário é preferencialmente resfriado e, então, direcionado para um tanque de fermentação onde o mosto intermediário é submetido a um processo de fermentação em batelada com semente de algas alimentadas a partir de um sistema de inoculação de algas. Uma vez que a batelada é colhida, as algas ricas em óleo/mosto intermediário são, preferencialmente, então, aquecidas para romper as células e liberar o óleo. Posteriormente, as algas ricas em óleo/mosto intermediário são preferencialmente processadas por uma centrífuga que produz sólidos, um óleo de fase leve e um fluxo de mosto intermediário puro que pode ser evaporado para um nível muito alto de sólidos.
Description
[001] O presente pedido reivindica prioridade do pedido provisório n^ U.S. 62/324.951, depositado em 20 de abril de 2016.
[002] A presente invenção se refere, em geral, a um processo e um método para destilação de etanol e, em particular, a um processo e um método para aumentar a eficiência de processamento de mosto fino.
[003] Em referência à FIG. 1, um processo de produção de etanol de grau combustível 100 inclui tipicamente as etapas de moagem, sacarificação, fermentação, destilação e evaporação (consulte, por exemplo, o documento US 7572353 de Griend). Conforme mostrado na FIG. 1, o processo típico geralmente se inicia moendo-se os grãos e combinando-se grãos moídos com água e enzimas para quebrar os grãos para produzir açúcares (sacarificação). A mistura é, então, tipicamente combinada com levedura, e permite-se que a mesma fermente.
[004] Na porção de fermentação de um processo típico, uma pasta aquosa de milho moído é fermentada para produzir uma cerveja que tem uma concentração de etanol que é geralmente menor que 15% em volume. Na porção de destilação de um processo típico, o etanol na cerveja é extraído nas colunas de destilação. As colunas de destilação têm tipicamente uma grande variedade de bandejas horizontais para provocar um aumento de vapor de etanol e para abaixar o líquido em contato. Em uma coluna de destilação, o vapor d'água de baixa pressão percola através da cerveja à medida que a cerveja passa das bandejas superiores para as bandejas inferiores. Conforme o vapor d'água em ascensão aquece a cerveja, o etanol na cerveja evapora e eleva-se até o topo da coluna onde o mesmo sai como um vapor. A água remanescente e outro material de grão na cerveja desce para o fundo da coluna para sair como "fundos de cerveja" ou "mosto inteiro". Esse material de mosto inteiro é tipicamente, então, separado através de centrífugas de mosto inteiro em sólidos e o que se conhece como "mosto fino". Os sólidos resultantes, tipicamente conhecidos como Grãos de Destilador Úmidos com Solúveis (WDGS) são, então, tipicamente secos para produzir Grãos Secos de Destilador (DDG) que é um valioso ingrediente de alimentação. O mosto fino é, então, tipicamente reduzido através de um processo de evaporação em que um líquido é removido por ebulição do mosto fino para produzir um xarope que também pode ser seco no secador DDG para aumentar adicionalmente a saída do coproduto de alimentação animal.
[005] Embora testados e aprovados, os presentes métodos para produção de etanol deixam óleos importantes, biomassa e outros importantes subprodutos (como glicerol) não processados. Consequentemente, a presente invenção fornece um processo mais eficiente para produzir etanol que inclui fermentação de mosto.
[006] Para minimizar as limitações encontradas na técnica anterior e para minimizar outras limitações que serão evidentes mediante a leitura dos relatórios descritivos, a modalidade preferencial da presente invenção fornece um processo inovador no qual um mosto fino é processado para produzir óleo de algas e biomassa rica em proteína assim como outros subprodutos ricos em energia.
[007] De acordo com uma modalidade preferencial, um mosto fino é removido de um evaporador durante o processo de evaporação para produzir mosto intermediário. Esse mosto intermediário é, de preferência, encaminhado para um novo processo onde é direcionado para uma centrífuga de pré- tratamento para remover os sólidos suspensos, borra e óleo de milho. Posteriormente, o mosto intermediário é preferencialmente resfriado e, então, direcionado para um tanque de fermentação onde o mosto intermediário é submetido a um processo de fermentação em batelada com "semente" de algas alimentadas a partir de um sistema de inoculação de algas. Uma vez que a batelada é colhida, as algas ricas em óleo/mosto intermediário são, preferencialmente, então, aquecidas para romper as células e liberar o óleo. Posteriormente, as algas ricas em óleo/mosto intermediário são preferencialmente processadas por uma centrífuga que produz sólidos, um óleo de fase leve e um fluxo de mosto intermediário "limpo" que podem ser evaporados para um nível muito alto de sólidos.
[008] Os elementos nas Figuras não foram necessariamente desenhados em escala a fim de melhorar sua clareza e aprimorar o entendimento dos vários elementos e das modalidades da invenção. Adicionalmente, os elementos que são conhecidos por serem comuns e bem entendidos por aqueles da indústria não são retratados a fim de fornecer uma visão clara das várias modalidades da invenção. Assim, deve se entender que os desenhos são generalizados na forma de interesse de clareza e concisão.
[009] A FIG. 1 é um gráfico que ilustra um processo convencional para produzir etanol.
[010] A FIG. 2 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo para produzir biocombustíveis de acordo com uma primeira modalidade preferencial da presente invenção.
[011] A FIG. 3 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo para produzir biocombustíveis de acordo com uma modalidade preferencial adicional da presente invenção.
[012] Na seguinte discussão que aborda inúmeras modalidades e aplicações da presente invenção, faz-se referência aos desenhos anexos que formam uma parte do presente documento, e nos quais são mostradas por meio de ilustração modalidades específicas nas quais a invenção pode ser colocada em prática. Deve-se entender que outras modalidades podem ser utilizadas e alterações podem ser feitas sem que se afaste do escopo da presente invenção.
[013] São descritos abaixo vários recursos inventivos que podem ser usados independentemente um do outro ou em combinação com outros recursos. No entanto, qualquer recurso inventivo pode não abordar qualquer dos problemas discutidos acima ou pode apenas abordar um dos problemas discutidos acima. Adicionalmente, um ou mais dos problemas discutidos acima pode não ser completamente abordado por qualquer dos recursos descritos abaixo.
[014] A presente invenção é direcionada a um processo e um método de produção de biocombustíveis e de outros produtos consumíveis a partir de biomassa. Esses biocombustíveis e produtos consumíveis podem incluir alimento, ração, produtos químicos, combustíveis (isto é, diesel renovável, etanol, etc.) e similares, os quais, a título de conveniência, são coletivamente chamados posteriormente de biocombustíveis. Em particular, a invenção é direcionada a processos destinados a aprimorar a eficiência de métodos convencionais de produção de etanol.
[015] De acordo com uma modalidade preferencial, as enzimas usadas com a presente invenção podem incluir preferencialmente enzimas como glicoamilase assim como outras enzimas que podem ser selecionadas. Os exemplos de enzimas alternativas incluem: xilanase, amilase, lactase, diastase, sacarase; maltase; invertase; alfa-galactosidase e similares.
[016] Agora em referência à FIG. 2, uma modalidade preferencial 200 exemplificativa de um processo e um método de acordo com os aspectos da presente invenção será agora discutida. Conforme mostrado, o processo/método 200 exemplificativo inicia-se na etapa de destilação 202 do processo de produção de etanol. Conforme mostrado, mediante a destilação 202, o etanol é produzido e o mosto inteiro remanescente é processado e enviado para uma centrífuga 204. Na centrífuga 204, a maior parte dos sólidos suspensos é removida e o "mosto fino" remanescente (isto é, sólidos de 5 a 8%) é, então, enviado para um evaporador 212 para processamento adicional. No evaporador, o mosto fino é preferencialmente reduzido de 5 a 8% de sólidos para 13 a 17% de sólidos antes de ser removido como "mosto intermediário" 211 para processamento adicional. Deve-se entender que, embora 13 a 17% seja preferencial, o mosto fino pode ser removido da evaporação em um ponto anterior ou posterior conforme desejado. Consequentemente, o mosto intermediário pode alternativamente conter sólidos em qualquer parte dentro da faixa de 9 a 27% de sólidos.
[017] Mediante a remoção do evaporador 212, o mosto intermediário 211 é preferencialmente processado por uma centrífuga de pré-tratamento de mosto intermediário 210 ou outro dispositivo mecânico de clarificação. Na centrífuga 210, o mosto intermediário é preferencialmente separado em óleo de milho de fase leve 207, em borra 206 e mosto intermediário clarificado 214. De acordo com a modalidade preferencial, o mosto intermediário clarificado 214 está em fase de água com menos de 1% de sólidos suspensos. Posteriormente, o óleo de milho de fase leve 207 é preferencialmente removido e enviado para a usina de etanol para processamento adicional. Conforme mostrado adicionalmente, a camada de borra 206 é preferencialmente removida com a massa dos sólidos suspensos da alimentação e direcionada para o sistema de recuperação de óleo de milho 211 para processamento adicional.
[018] Em uma próxima etapa, o mosto intermediário clarificado 214 é, preferencialmente, então, resfriado através de um ou mais trocadores de calor para resfriar até a temperatura de fermentação. Geralmente, a temperatura do mosto intermediário de entrada será de 60 a 85 °C. De acordo com um aspecto da presente invenção, uma primeira etapa de resfriamento pode ser um trocador de calor de produto/alimentação de processo de algas de recuperação de energia. Nessa etapa, o mosto intermediário é preferencialmente resfriado pelo produto do processo de fermentação resfriado. Posteriormente, uma segunda etapa de resfriamento pode preferencialmente ser aplicada na forma de um trocador de calor de água de resfriamento. Preferencialmente, a faixa de temperatura pretendida da etapa 2 de resfriamento será de 25 a 35 °C.
[019] Uma vez que a temperatura desejada é alcançada, o mosto intermediário clarificado resfriado 214 é, preferencialmente, então, enviado para um ou mais tanques de fermentação de algas 218. De acordo com uma modalidade preferencial, os tanques de fermentação 218 são, então, usados para operar um processo de fermentação em batelada. De acordo com uma modalidade preferencial, uma base forte (como hidróxido de sódio ou similares) é preferencialmente adicionada ao mosto intermediário de entrada para elevar o pH de aproximadamente 3,5 a 4,0 para 5,5 a 7,0. Adicionalmente, "semente" de algas será preferencialmente alimentada a partir de um sistema de inoculação de algas para alcançar uma concentração inicial de 1,5 a 3,0 g/L de algas. Adicionalmente, uma grande quantidade de ar será, de preferência, continuamente injetada nos tanques de fermentação para suportar o processo químico aeróbico com um alvo de aeração preferencial entre 0,05 e 1,00 vvm (pés3/min de ar/pés3/volume de tanque). Nesse processo, a injeção de ácido ou a injeção de base pode ser adicionada conforme necessário para manter o pH do tanque de fermentação dentro da faixa de pH pretendida. Adicionalmente, cada tanque de fermentação incluirá preferencialmente uma sonda de oxigênio dissolvido (OD), um transmissor de temperatura e uma sonda de espuma. Preferencialmente, os produtos químicos antiespuma podem ser usados conforme necessário em resposta a medições de níveis de espuma. Além disso, cada tanque de fermentação incluirá preferencialmente uma bomba de circulação que bombeará os conteúdos do fermentador através de um resfriador de trocador de calor externo e auxiliará no fornecimento de agitação de tanque. Ainda adicionalmente, cada tanque de fermentação incluirá preferencialmente um agitador de múltiplos impulsores projetado para maximizar a transferência de oxigênio no fluido de processo e um resfriador de trocador de calor para controlar a temperatura na faixa de 25 a 35 °C. Preferencialmente, a água de resfriamento ou gelada será a fonte de resfriamento. De acordo com uma modalidade preferencial, o tempo de batelada de fermentação pode ser aproximadamente 48 horas com a possível faixa de 24 a 92 horas.
[020] Preferencialmente, o processo bioquímico nos tanques de fermentação envolverá algas que fermentarão metabolizando as várias fontes de carbono presentes no mosto intermediário. De acordo com uma modalidade preferencial adicional, qualquer uma dentre uma variedade de espécies de microalgas pode ser usada como algas do gênero Chlorella, incluindo C. protothecoides, C. vulgaris, C. sorokiniana, C. saccharophila e outras espécies Chlorella. Alternativamente, outras espécies de microalgas podem ser usadas como Chlamydomonas reinhardtii, Chlorococcum littorale, Platymonas subcordiformis, Anabaena, Nostoc muscorum, N. spongiaeforme, Westiellopsis prolífica, Oscillotoria Miami BG7 ou Aphanothece halophytico.
[021] De acordo com uma modalidade preferencial da presente invenção, o processo de fermentação de etanol do mosto intermediário clarificado 214 produzirá subprodutos do carbono que incluem: glicerol; ácidos orgânicos como acético e láctico; açúcares residuais como glicose, maltose e DP3s; amidos residuais (DP4+) e proteínas residuais. Preferencialmente, nenhum nitrogênio ou proteína será adicionado ao processo de fermentação a fim de manter uma alta razão de carbono para nitrogênio que favorecerá a produção de óleo de algas sobre proteína. O mosto intermediário contém geralmente altos níveis de minerais necessários para crescimento de algas como Fósforo e Magnésio. Como resultado, adições de compostos químicos e de minerais dispendiosas podem ser evitadas.
[022] Agora em referência à FIG. 3, de acordo com uma modalidade preferencial da presente invenção, o sistema de fermentação de algas da presente invenção incluirá preferencialmente ainda um sistema de inoculação 220 para fornecer uma concentração suficiente de algas no começo do processo de fermentação. Preferencialmente, o sistema de inoculação 220 será um sistema de fermentação de múltiplos recipientes para incrementar as algas a partir dos níveis de produção de semente ("tudo de ensaio"). Preferencialmente, os recipientes de incremento compartilharão os mesmos recursos que os fermentados de grande escala: injeção de ar, resfriamento, agitação, controle de pH e oxigênio dissolvido.
[023] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, o sistema de inoculação de algas 220 pode usar preferencialmente glicerina como uma fonte de carbono inicial. O uso de glicerina permitirá preferencialmente que as algas se tornem climatizadas para consumir glicerol antes de o processo de fermentação em grande escala iniciar. De acordo com uma modalidade preferencial, uma fonte potencial de glicerina para o sistema de inoculação pode ser glicerina de biodiesel. De acordo com uma modalidade preferencial adicional, a glicerina (potencialmente na forma de glicerina de biodiesel) pode ser usada também, como uma possível matéria-prima para o sistema de fermentação de algas principal.
[024] Em referência novamente à FIG. 3, uma vez que a formação de batelada é concluída, o mosto intermediário rico em óleo/algas é, então, preferencialmente colhido. Em uma modalidade preferencial, antes da colheita, o mosto intermediário rico em óleo/algas é primeiramente aquecido. De acordo com um aspecto da presente invenção, o mosto intermediário rico em óleo/algas pode preferencialmente ser aquecido primeiramente pelo mosto intermediário de entrada a partir da evaporação (se disponível) e, então, aquecido para aproximadamente 85 a 99 °C. De acordo com o processo descrito, a exposição a altas temperaturas fará com que as células de algas se rompam liberando o óleo de algas das células para recuperação por uma centrífuga 224.
[025] Conforme mostrado adicionalmente na FIG. 3, de acordo com uma modalidade preferencial, o óleo de algas é preferencialmente recuperado por uma centrífuga trifásica 224 que produz um óleo de fase leve 226, mosto intermediário limpo (principalmente água) 228 e borra/sólidos 230. Conforme mostrado, o óleo de fase leve pode ser separado para venda como óleo vegetal e/ou matéria-prima de biodiesel 232. Conforme adicionalmente mostrado, a borra/sólidos podem ser enviados de volta para o secador DDGS de usina de etanol ou secos em um novo sistema de secagem separado para produção de ingrediente de alimentação animal rica em proteína de algas.
[026] Em relação ao mosto intermediário "limpo" 228 (água), esse líquido é preferencialmente enviado para um sistema de evaporação secundário para reduzir adicionalmente o mosto intermediário. Preferencialmente, o produto de evaporação secundária será alimentado nos secadores DDGS de usina de etanol ou em outro sistema de secagem 236.
[027] Ao aplicar os princípios e recursos da presente invenção, eficiências importantes e surpreendentes foram alcançadas. Essas eficiências foram identificadas e confirmadas em múltiplas configurações de teste. Os resultados e as condições de teste exemplificativos são fornecidos conforme detalhado abaixo.
[028] A descrição supracitada da modalidade preferencial da presente invenção foi apresentada para os propósitos de ilustração e descrição. Não se pretende que a mesma seja abrangente ou limite a invenção à forma precisa descrita. Muitas modificações e variações são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Pretende-se que o escopo da presente invenção não seja limitado pela descrição detalhada, mas pelas reivindicações e pelos seus equivalentes às reivindicações anexas no presente documento.
Claims (13)
1. Processo de produção de biocombustíveis a partir de biomassa após a destilação da biomassa, caracterizado pelo fato de que o processo compreende as etapas de: separar etanol e mosto inteiro; encaminhar o mosto inteiro para uma centrífuga; centrifugar o mosto inteiro para remover os sólidos e produzir um mosto fino, em que o mosto fino compreende 5 a 8% de sólidos; encaminhar o mosto fino para um evaporador; evaporar o teor de água do mosto fino para produzir mosto intermediário, em que o mosto intermediário compreende 9 a 27% de sólidos; separar o mosto intermediário em óleo de fase leve, uma camada de borra e mosto intermediário clarificado, em que o mosto intermediário clarificado está em fase aquosa com menos de 1% de sólidos suspensos; resfriar o mosto intermediário clarificado; encaminhar o mosto intermediário clarificado para um tanque de fermentação de algas; elevar o pH do mosto intermediário de entrada de aproximadamente 3,5 a 4,0 para 5,5 a 7,0; adicionar semente de algas de um sistema de inoculação de algas para alcançar uma concentração inicial de 1,5 a 3,0 g/L de algas; injetar ar no interior do tanque de fermentação de algas para suportar um processo químico aeróbico; manter uma temperatura na faixa de 25 a 35 °C; e colher as algas ricas em óleo do tanque de fermentação de algas após um período de fermentação.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mosto intermediário compreende 13 a 17% de sólidos.
3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o óleo de fase leve é adicionalmente processado para produzir etanol.
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a camada de borra é removida e direcionada para um sistema de recuperação de óleo para produzir óleo adicional.
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de resfriamento do mosto intermediário clarificado resfria o mosto intermediário clarificado de uma temperatura de entrada de 60 a 85 °C para uma temperatura na faixa de 25 a 35 °C.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de resfriamento do mosto intermediário clarificado é realizada com o uso de um trocador de calor da alimentação do processo de algas de recuperação de energia com uma corrente de resfriamento fornecida a partir do tanque de fermentação de algas.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o mosto intermediário clarificado é adicionalmente resfriado em uma segunda etapa de resfriamento em que o resfriamento é aplicado na forma de um trocador de calor com água de resfriamento.
8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a semente de algas compreende uma ou mais algas selecionadas a partir do grupo de algas que compreende: algas do gênero Chlorella, C. protothecoides, C. vulgaris, C. sorokiniana, C. saccharophila, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorococcum littorale, Platymonas subcordiformis, Anabaena, Nostoc muscorum, N. spongiaeforme, Westiellopsis prolífica, Oscillotoria Miami BG7 e Aphanothece halophytico.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o processo de colheita compreende as etapas de: aquecer as algas ricas em óleo para aproximadamente 85 a 99 °C; em que a etapa de aquecimento das algas ricas em óleo compreende uma primeira etapa de adição de calor recuperado a partir do mosto intermediário de entrada.
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que óleo de alga das algas ricas em óleo é recuperado por uma centrífuga trifásica que produz óleo de fase leve, mosto intermediário limpo e pelo menos um dentre borra ou sólidos.
11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o óleo de fase leve é separado como óleo vegetal ou matéria-prima de biodiesel.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre borra ou sólidos é seco e usado para a produção de ingrediente de alimentação animal rica em proteína de algas.
13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o mosto intermediário limpo é enviado para um sistema de evaporação secundário para reduzir adicionalmente o mosto intermediário limpo; em que o produto do sistema de evaporação secundário é adicionalmente recuperado e seco para uso como um ingrediente de alimentação animal.
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