BR112020005026B1

BR112020005026B1 - Sistema para conversão de resíduos, e, processo para tratamento e conversão de resíduos

Info

Publication number: BR112020005026B1
Application number: BR112020005026-1A
Authority: BR
Inventors: Oddur Ingolfsson; Asgeir Matthiasson; Sigurdur INGOLFSSON
Original assignee: Ymir Technologies Ehf
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2023-12-19
Also published as: BR112020005026A2; JP2020534153A; KR20200055748A; RU2020112988A3; WO2019053750A1; EP3681651B1; CN111356540B; RU2766001C2; RU2020112988A; US20200216760A1; CA3075385A1; EP3681651A1; CN111356540A; EP3681651C0; US11572513B2; SG11202002031TA

Abstract

um sistema integrado de gestão de resíduos em linha, totalmente autossuficiente e à base de água, para conversão abrangente de todas as frações orgânicas de resíduos municipais e comunitários em combustíveis adequados para uso em transporte, com todos os resíduos sólidos convertidos em composto de alta nutrição. o sistema é baseado em uma combinação de pré-tratamento, envolvendo hidrólise alcalina e saponificação; separação de três vias dos resíduos pré-tratados em diferentes correntes, cada uma delas sendo direcionada para um processamento adicional adequado, incluindo a produção de combustível; que inclui a geração de biodiesel em uma unidade de esterificação catalítica de fluxo contínuo e digestão anaeróbica para produzir metano ou outro biocombustível de molécula pequena. os sólidos remanescentes são convertidos em composto em um processo quase contínuo.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção está relacionada ao campo de gestão de resíduos e processamento de resíduos, e refere-se especificamente ao processamento de resíduos orgânicos através de pré-tratamento, separação e conversão adequados de correntes de resíduos para a produção de produtos valiosos, incluindo biodiesel e metano e/ou etanol.

INTRODUÇÃO

[002] A gestão e o tratamento de resíduos são desafios contínuos à medida que a população humana cresce. Os aterros sanitários utilizam solo e têm uma vida útil limitada antes de se tornarem saturados, criando uma demanda contínua e, quando saturados, criam um espaço de terra com usabilidade comprometida e possíveis problemas de poluição. Na União Europeia, uma política adotada estabeleceu como meta que, até o ano 2020, os aterros sanitários se limitem a resíduos específicos (ou seja, resíduos não recicláveis e não recuperáveis) (7° Programa de Ação Ambiental - EAP). A incineração resolve problemas de uso da terra, mas cria gases de efeito estufa, e incinerações com alta temperatura são necessárias para evitar a liberação de poluentes. No entanto, está bem estabelecido na literatura que a incineração é incompatível com a qualidade ambiental local, com a redução eficiente de gases de efeito estufa e com as metas de desperdício zero da política climática moderna. Os incineradores representam um investimento proibitivamente elevado em muitos contextos locais; seu modelo de receita é fraco, mesmo no contexto com subsídios governamentais de energia e transporte de resíduos sólidos urbanos (RSU) por longas distâncias usando combustíveis fósseis. Os incineradores são uma importante fonte de poluentes perigosos, tais como mercúrio, dioxinas e PCB. É importante ressaltar que a taxa de captura de energia é notoriamente baixa e a energia resultante está disponível apenas para usos estacionários. Após a incineração, cerca de 15% do peso residual original ainda deve ser comprometido no aterro como cinzas perigosas. A produção / coleta de metano a partir de aterros sanitários através de digestão anaeróbica é operada em pequena escala em muitos locais, mas não atenua as desvantagens gerais do uso de aterros sanitários. Processos têm sido divulgados e implementados para produzir combustível a partir de resíduos, tal como através da produção intermediária de gás de síntese (syngas) que pode ser queimado como combustível ou convertido em outros combustíveis, incluindo gasolina ou etanol. A Enerkem (Montreal, Canadá) construiu uma fábrica de combustível para produzir metanol (e eventualmente também etanol) a partir de resíduos, também através de um processo de syngas (veja www.enerkem.com). O processo Enerkem é um exemplo de processo de gaseificação amplamente conhecido, em que a biomassa rica em carbono é um material orgânico convertido em monóxido de carbono, hidrogênio e dióxido de carbono (esta mistura é chamada de syngas) em uma temperatura alta e com quantidade controlada de oxigênio. Uma alternativa ao processo de gaseificação utiliza um arco de plasma, onde uma corrente de alta tensão é alimentada em uma tocha, criando um arco de alta temperatura. Isso é conhecido como gaseificador de plasma. A InEnTec construiu e demonstrou uma planta em pequena escala que pode processar 25 toneladas de resíduos por dia usando essa tecnologia (InEnTec, Richland, WA, EUA; www.inentec.com).

[003] Outras soluções e sistemas mais flexíveis com menos demanda de energia seriam reconhecidas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[004] A Figura 1a exibe um esquema que representa as principais unidades do sistema da presente invenção.

[005] A Figura 1b exibe um diagrama esquemático de um sistema geral da presente invenção.

[006] A Figura 2 exibe uma ilustração em perspectiva expandida de uma porção da unidade de pré-tratamento, especificamente a seção de umedecimento e mistura, e a seção de aquecimento e retenção de alta pressão.

[007] A Figura 3a exibe uma ilustração esquemática de uma versão da seção de lavagem de dióxido de carbono da unidade de pré-tratamento.

[008] A Figura 3b exibe uma vista em perspectiva expandida da seção de lavagem de dióxido de carbono de uma modalidade da unidade de pré-tratamento.

[009] A Figura 4a exibe uma ilustração esquemática das principais seções de uma modalidade da unidade de separação; a porção superior exibe a seção de condicionamento, que leva à seção de separação de gordura / óleo, que compreende um tubo coaxial central no interior de um tanque disposto verticalmente. Na porção inferior, existe um transportador de separação sólido / líquido.

[0010] A Figura 4b exibe uma vista em perspectiva expandida das principais seções em uma modalidade da unidade de separação da Figura 4a.

[0011] A Figura 4c exibe uma vista em perspectiva do transportador de separação sólido / líquido das Figuras 4a e 4b, e um tanque de coleta / tamponamento para receber material líquido proveniente do separador líquido / sólido.

[0012] A Figura 5a exibe uma modalidade alternativa da unidade de separação trifásica, em que a separação trifásica é efetuada em um único aparelho que combina a separação de gordura / óleo e de sólido / líquido através da aplicação de um parafuso transportador decantador e um disco centrifugador em um instrumento, daqui em diante referido como decantador centrífugo ou unidade ou instrumento de decantador centrífugo.

[0013] A Figura 5b exibe a unidade de separação trifásica da Figura 5a, detalhando ainda mais o fluxo de material no processo de separação.

[0014] A Figura 6a exibe uma visão geral em perspectiva de um reator de biodiesel de fluxo contínuo da presente invenção.

[0015] A Figura 6b exibe mais detalhes do reator de biodiesel de fluxo contínuo da Figura 6a, ilustrando um possível empilhamento dos componentes do reator e fluxo de material no processo de conversão.

[0016] A Figura 6c exibe uma vista em perspectiva e seção transversal de uma unidade celular dentro do reator de biodiesel de fluxo contínuo, à direita, uma placa de contato ondulada 4110, com 4111 mostrando o revestimento de superfície em uma seção transversal expandida; no centro, existe um misturador estático 4130, com o revestimento de superfície que perturba o fluxo 4131 mostrado em seção transversal expandida; e à esquerda, existe um espaçador 4120 com revestimento catalítico de superfície 4121 mostrado em seção transversal expandida.

[0017] A Figura 6d exibe um exemplo de seção transversal expandida de linhas de fluxo no interior de uma célula do reator de biodiesel de fluxo contínuo, composto por um misturador estático confinado por duas placas de reator. Todas as superfícies são mostradas sendo revestidas com material catalítico. A célula é mostrada sem espaçadores.

[0018] A Figura 7a exibe uma visão global das duas primeiras seções (seção de iniciação 5100 e seção de incubação 5200) da unidade de compostagem acelerada em três estágios.

[0019] A Figura 7b exibe uma vista em perspectiva da seção de iniciação 5100 da unidade de compostagem acelerada.

[0020] A Figura 8 exibe uma possível disposição de uma unidade de renderização de acordo com a presente invenção.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0021] A presente invenção compreende um sistema de conversão de resíduos em linha totalmente autossuficiente em energia e à base de água para a conversão abrangente de todas as frações orgânicas de lixo municipal e de resíduos comunitários em combustíveis adequados para uso em transporte, com resíduos sólidos convertidos em composto de alta nutrição. Aqui, “totalmente à base de água” refere-se aos processos do sistema que não precisam de solventes orgânicos nem aditivos além de produtos químicos solúveis em água ambientalmente aceitáveis. Em resumo, o sistema provê um ciclo completo de tratamento de resíduos orgânicos, minimizando ou eliminando os gastos de resíduos a jusante e produzindo produtos valiosos. O sistema pode funcionar totalmente autossuficiente em termos de energia e oferece flexibilidade, de modo que o sistema possa acomodar correntes de resíduos muito diferentes e não requer gaseificação com alta temperatura, formação de vapor ou processos semelhantes.

[0022] O sistema é essencialmente baseado em uma combinação flexível de pré-tratamento, envolvendo hidrólise por explosão de vapor e saponificação; separação dos resíduos pré-tratados em diferentes correntes, cada uma delas direcionada para processamento adicional adequado, incluindo produção de combustível; produção de combustível que inclui a geração de biodiesel em uma unidade de esterificação catalítica de fluxo contínuo e digestão anaeróbica para produzir metano ou outro biocombustível de pequenas moléculas, tal como etanol (por fermentação). Os sólidos restantes são convertidos em composto em um processo de compostagem acelerada quase contínuo. Assim, o sistema e o processo podem ser vantajosamente dispostos de modo que as etapas individuais do processo sejam ou possam ser operadas em modo contínuo, em particular o pré- tratamento, incluindo o tratamento de explosão de vapor, a separação trifásica e a produção de biodiesel, enquanto outras etapas, como por exemplo, a compostagem acelerada, podem ser operadas de maneira semicontínua. Os tanques e contêineres de coleta e/ou tamponamento podem ser dispostos entre as unidades principais e as etapas do processo para acomodar a transferência de material entre diferentes unidades e etapas do processo, como entre fases e etapas contínuas e semicontínuas, e para quaisquer diferenças no volume de saída e volume de entrada em unidades e etapas adjacentes.

[0023] É particularmente vantajoso operar o tratamento de explosão de vapor de maneira contínua ou semicontínua; isso envolve submeter o material introduzido, preferivelmente em solução alcalina ou ácida, a alta pressão e temperatura, e descarregar o material por meio de queda repentina de pressão, tal como uma válvula rotativa de alívio de alta pressão, com arranjo adequado, conforme descrito abaixo, de modo que a seção de retenção de alta pressão e alta temperatura seja mantida a uma alta pressão e temperatura de operação, enquanto o material é continuamente ou semicontinuamente introduzido e descarregado sem alívio de pressão ou temperatura da seção de retenção de alta pressão e alta temperatura. Isso aumenta a eficiência e reduz a demanda de energia em comparação com a explosão de vapor operada em batelada.

[0024] O sistema é adequadamente organizado de forma modular, permitindo que a personalização, dependendo da composição dos resíduos, seja processada em um determinado local. O sistema pode ser configurado de modo que seja totalmente ou substancialmente à base de água, conforme definido aqui, e mais preferivelmente toda a energia usada no processo é gerada a partir de componentes de combustível produzidos no processo.

[0025] O sistema foi projetado para maximizar a sinergia entre componentes individuais além do estado da arte atual, minimizar o consumo de energia e a pegada de carbono, e maximizar os benefícios ambientais e econômicos.

[0026] O sistema pode ser facilmente operado sem nenhum input de energia externa, e o cálculo de balanço de energia mostra que o sistema, em geral, pode ser operado como um contribuidor líquido de energia, utilizando assim o conteúdo energético das correntes de resíduos. Consequentemente, em modalidades preferenciais, o sistema e o processo da presente invenção são autossuficientes em energia, o que significa que nessas modalidades a adição de energia externa não é necessária.

[0027] Um aspecto da presente invenção provê um sistema de conversão de resíduos que compreende pelo menos uma unidade de pré- tratamento para receber uma corrente de resíduos, em que pelo menos uma porção é resíduo orgânico; a unidade de pré-tratamento compreendendo pelo menos uma explosão de vapor de fluxo contínuo; pelo menos uma unidade de separação, para receber uma corrente de resíduos pré-tratados proveniente da unidade de pré-tratamento, a unidade de separação compreendendo pelo menos uma seção de condicionamento e pelo menos uma seção de separação para separar os resíduos condicionados em pelo menos um componente de gordura / óleo e pelo menos um componente aquoso, e preferivelmente, também pelo menos um componente sólido úmido; pelo menos uma unidade de produção de biodiesel, para gerar biodiesel a partir de pelo menos um componente de gordura / óleo; pelo menos uma unidade de digestão, para digestão anaeróbica de pelo menos um componente aquoso para a produção de metano; e/ou uma unidade de fermentação para a produção de etanol a partir de pelo menos um componente aquoso; e pelo menos uma unidade de compostagem, para a geração de composto a partir de material sólido.

[0028] Outro aspecto da presente invenção estabelece um processo para tratamento e conversão de resíduos, compreendendo: receber uma corrente de resíduos que compreende pelo menos uma porção que é lixo orgânico; introduzir a corrente de resíduos ou pelo menos uma porção da mesma em uma unidade de pré-tratamento na qual a corrente de resíduos é introduzida em um reator de explosão de vapor de fluxo contínuo; direcionar uma corrente de resíduos pré-tratados para uma unidade de separação em que a corrente é separada em pelo menos um componente compreendendo gordura e/ou óleo e um componente compreendendo lama aquosa de matéria orgânica e, preferivelmente também um componente compreendendo material orgânico sólido; introduzir o referido componente de gordura e/ou óleo em uma unidade de produção de biodiesel e gerar biodiesel a partir do referido componente de gordura / óleo; introduzir o referido componente compreendendo lama aquosa em uma unidade de digestão, e digerir o referido componente por digestão anaeróbica para produzir metano, ou por fermentação para produzir etanol; e introduzir o material sólido restante em uma unidade de compostagem acelerada.

[0029] Em outro aspecto, a presente invenção refere-se a um reator de explosão de vapor que compreende uma seção de retenção de alta pressão e uma seção de alívio de pressão, em que a referida seção de retenção de alta pressão compreende pelo menos um transportador de velocidade ajustável para transportar a referida corrente de resíduos através da referida seção. O reator de explosão de vapor pode ainda compreender pelo menos uma unidade de lavagem de dióxido de carbono integrada que pode opcionalmente ser configurada para operar simultaneamente com o reator de explosão de vapor.

[0030] Outro aspecto da presente invenção refere-se a um reator de biodiesel adaptado para receber um fluxo contínuo de pelo menos um componente de gordura / óleo e, assim, gerar um fluxo contínuo de biodiesel. O reator de biodiesel pode ser um reator de biodiesel de fluxo contínuo que compreende uma pluralidade de placas de contato revestidas com catalisador de esterificação e/ou transesterificação para catalisar a esterificação de ácidos graxos livres e/ou a transesterificação de glicerídeos. O reator de biodiesel pode ainda compreender um ou mais espaçadores e/ou misturadores estáticos para ajustar o espaçamento entre as placas de contato e melhorar a mistura turbulenta.

[0031] Em um aspecto adicional, a presente invenção refere-se a uma unidade de decantador centrífugo que compreende um eixo de rolamento axial, um abrigo de decantador que se junta coaxialmente a um parafuso transportador que é rotativo no dito eixo de rolamento axial, pelo menos uma entrada estacionária de material principal centralmente posicionada para alimentação de material no parafuso transportador, pelo menos uma saída de matéria sólida, um abrigo separador de discos que se junta ao dito disco centrifugador, pelo menos um impulsor disposto entre o abrigo de decantador e o abrigo separador de discos, e uma saída de fase pesada e uma saída de fase mais leve.

DESCRIÇÃO

[0032] As principais unidades da presente invenção são referidas no diagrama esquemático das Figuras 1a e 1b, que representam uma unidade de pré-tratamento (1000), uma unidade de separação (2000), unidades de produção de combustível (3000 e 4000), unidade de compostagem acelerada (5000) e uma unidade de renderização (6000) opcional. Cada unidade pode possuir componentes e peças, sendo as principais partes do sistema referidas como seções. A Figura 1a exibe um diagrama de fluxo esquemático simplificado das unidades, enquanto a Figura 1b exibe uma visão geral do diagrama de fluxo esquemático mais detalhado do sistema com seções e componentes das unidades.

[0033] O termo “à base de água” indica que não são necessários solventes orgânicos para os processos e sistemas da presente invenção. Em algumas modalidades, no entanto, reagentes ou produtos químicos solúveis em água ambientalmente aceitáveis podem ser aplicados, tais como, em particular, etanol ou metanol, necessários para a produção de biodiesel, ácidos ou bases para promover etapas individuais do processo, conforme descrito a seguir. O termo “autossuficiente em energia” indica que os processos podem ser executados sem adição externa de energia e que toda a energia necessária, tanto a energia térmica quanto a elétrica, pode ser fornecida através de etapas de liberação de energia no processo e/ou utilizando combustíveis gerados como fonte de energia para os processos. Em algumas modalidades, o sistema pode ser conectado a uma rede elétrica externa para prover energia ao sistema, mas normalmente qualquer entrada de energia desse sistema é mais do que contrabalançada pela produção de energia do sistema, o que significa que a produção líquida de energia do sistema é positiva. O termo “óleo / gordura” refere-se, em geral, a qualquer lipídeo proveniente de resíduos, incluindo mono-, di- e triglicerídeos derivados de gordura e óleo animal, e óleo de plantas e ácidos graxos livres de mesma origem e qualquer combinação destes. O termo “biodiesel” é aqui utilizado como é habitual na técnica e refere-se geralmente ao combustível derivado de óleo / material gorduroso reciclado (e não à base de petróleo) que contém ésteres alquílicos (metílicos, etílicos e/ou propílicos) de cadeia longa. O termo “composto” possui o significado geralmente conhecido na técnica e refere-se à matéria orgânica que se decompôs em fertilizantes e aditivos no solo.

[0034] Conforme mencionado, é vantajoso o fato de que o sistema da invenção possa ser configurado totalmente ou substancialmente à base de água. Isso significa que todas as etapas e subprocessos podem ser conduzidos(as) sem a adição de um solvente orgânico, exceto os solventes necessários (ambientalmente aceitáveis) miscíveis em água que podem ser necessários como reagentes, e são totalmente recuperados a partir da respectiva etapa de conversão, por exemplo, metanol ou etanol nas etapas do processo de produção de biodiesel.

[0035] A unidade de pré-tratamento de acordo com a invenção recebe a corrente de resíduos que deve ser tratada. A corrente de resíduos pode ter uma composição diferente, o sistema e o processo da presente invenção geralmente são direcionados para resíduos orgânicos, ou resíduos compreendendo principalmente matéria orgânica, que pode ou não ser pré- classificada como, mas não se limitando a, resíduos orgânicos de lixo doméstico geral. Consequentemente, o material residual recebido para tratamento pode compreender, mas não se limita a, um ou mais, ou qualquer combinação dos seguintes: resíduos domésticos, resíduos de matadouros, resíduos da indústria de alimentos, resíduos da indústria pesqueira, resíduos da indústria de óleo de peixe e/ou vegetal, lodo de esgoto, graxa e óleos de esgoto, resíduos agrícolas, tais como palha de trigo ou outra palha, casca de arroz, resíduo de coalhada de soja e grama e estrume animal, bem como resíduos de jardins e resíduos de madeira. Tais correntes de materiais residuais podem ser categorizadas como correntes ricas em carboidratos (C), gorduras (G) e proteínas (P) ou qualquer combinação destes. Os termos gordura (“G”), “gordura / óleo” e “gordura e/ou óleo”, conforme aqui utilizados, geralmente se referem aos componentes ricos em lipídeos, tais como gordura e/ou óleos, incluindo um ou mais glicerídeos (mono-, di-, triglicerídeos), fosfolipídeos e ácidos graxos livres e misturas destes.

[0036] Se benéfico (dependendo do material residual recebido), o sistema pode adicionalmente compreender uma unidade de separação opcional, a montante da unidade de pré-tratamento, para remover pelo menos uma porção de, ou preferivelmente substancialmente todo, pelo menos um componente metálico, vidro, componentes plásticos e papel e misturas dos mesmos a partir de resíduos misturados recebidos. Preferivelmente, o material residual recebido a ser tratado é um resíduo pré-classificado, tal como oriundo de residências, indústria e/ou escritórios que classificam resíduos, tal como resíduos plásticos, metálicos, papel e orgânicos. A partir desses resíduos classificados, a fração orgânica pode ser adequadamente recebida e totalmente tratada e convertida no sistema da presente invenção.

[0037] A unidade de pré-tratamento compreende como seus componentes mais básicos pelo menos um reator de explosão de vapor de fluxo contínuo, o qual, nas modalidades atualmente preferenciais, é operado como um reator de explosão de vapor alcalino, tal como descrito em detalhes abaixo. Nestas modalidades, ao operar o processo de explosão de vapor sob condições alcalinas, o reator de explosão de vapor compreende preferivelmente pelo menos uma unidade de lavagem de dióxido de carbono integrada que recebe o material descarregado por alívio de pressão proveniente da seção de retenção de alta pressão do reator de explosão de vapor. Em uma modalidade, o reator de explosão de vapor alcalino de fluxo contínuo compreende pelo menos uma seção de retenção de alta pressão, a qual é conectada à seção de lavagem de dióxido de carbono integrada através de uma conexão de alívio de pressão, através da qual uma corrente de material é provida pela liberação rápida de pressão proveniente da seção de retenção de alta pressão na seção de lavagem de dióxido de carbono. A seção de retenção de alta pressão geralmente será operada a uma pressão na faixa de cerca de 1.000 kPa (10 bar) ou de cerca de 1.200 kPa (2 bar) ou de cerca de 1.400 kPa (14 bar) ou de cerca de 1.500 kPa (5 bar) ou de cerca de 1.600 kPa (16 bar) ou de cerca de 1.800 kPa (18 bar) ou de cerca de 2.000 kPa (20 bar), até cerca de 4.000 kPa (40 bar), ou até cerca de 3.800 kPa (38 bar), ou até cerca de 3.600 kPa (36 bar), ou até cerca de 3.400 kPa (34 bar), ou até cerca de 3.200 kPa (32 bar), tal como cerca de 3.000 kPa (30 bar), tal como cerca de 2.800 kPa (28 bar) ou cerca de 2.700 kPa (27 bar) ou cerca de 2.600 kPa (26 bar) ou cerca de 2.500 kPa (25 bar) ou cerca de 2.400 kPa (24 bar). Em algumas modalidades, a unidade de lavagem de dióxido de carbono é operada a uma pressão na faixa de cerca de 100 kPa (1 bar), tal como cerca de 120 kPa (1,2 bar), cerca de 150 kPa (1,5 bar), cerca de 200 kPa (2 bar), até cerca de 500 kPa (5 bar) ou até cerca de 400 kPa (4 bar), e alternativamente provida com elementos de resfriamento para diminuir a temperatura do substrato e recuperar o calor proveniente da unidade de explosão de vapor.

[0038] A temperatura na seção de retenção de alta pressão está tipicamente na faixa de cerca de 180°C a 250°C, a temperatura selecionada normalmente depende da pressão desejada, o que significa que a temperatura e a pressão são mantidas ligação para que a pressão esteja em torno de, ou logo acima de, a pressão de vapor da água. Por exemplo, a uma temperatura de 180°C, a pressão de saturação de vapor da água é de pouco mais de 1.000 kPa (10 bar), a 200°C, a pressão de vapor de saturação é de cerca de 1.550 kPa (15,5 bar), a 220°C é de cerca de 2.320 kPa (23,2 bar), e a 250°C, a pressão de saturação de vapor é de cerca de 4.000 kPa (40 bar). Em algumas modalidades, o reator de explosão de vapor é operado a uma temperatura na faixa mencionada e a uma pressão correspondente ou próxima à pressão de saturação de vapor da água na respectiva temperatura. Consequentemente, em algumas modalidades, o reator de explosão de vapor é operado a uma temperatura na faixa de cerca de 180°C a 200°C e uma pressão na faixa de cerca de 1.000 kPa (10 bar) a 1.600 kPa (16 bar), em algumas modalidades o reator de explosão de vapor é operado a uma temperatura na faixa de cerca de 200°C a 220°C e uma pressão na faixa de cerca de 1.500 kPa (5 bar) a 2.300 kPa (23 bar), ou na faixa de cerca de 220°C a 240°C e uma pressão na faixa de cerca de 2.300 kPa (23 bar) a 3.300 kPa (33 bar).

[0039] O reator de explosão de vapor efetua a desintegração abrupta da estrutura inflexível de materiais fibrosos compactos, tornando-os acessíveis a hidrólise eficiente e subsequente decomposição por fermentação. A unidade de explosão de vapor serve ainda para efetivar a hidrólise e/ou saponificação de resíduos orgânicos introduzidos, tais como celuloses, lignina, proteínas e gorduras / óleos, bem como a extração de hidrocarbonetos solúveis, aminoácidos ou peptídeos e ácidos graxos e sais dos mesmos na corrente de resíduos. Ao operar a explosão de vapor sob condições alcalinas, o extrato alcalino aquoso e o substrato sólido são subsequentemente reduzidos em pH na unidade de lavagem de dióxido de carbono, aqui descrita abaixo. O processo de pré-tratamento atende a vários propósitos: (i) ruptura da estrutura do material fibroso compacto; (ii) decomposição, pelo menos parcial, do material de baixa biodisponibilidade, tal como, por exemplo, lignina e material celulósico; (iii) pré-hidrólise do material orgânico; (iv) extração aquosa da nutrição do substrato sólido e; (v) esterilização de todo o material.

[0040] A esterilização no processo é muito vantajosa, pois aumenta amplamente a utilidade dos produtos a jusante. Atualmente, é um desafio usar efetivamente certas correntes de resíduos provenientes de, por exemplo, instalações de matadouros ou plantas de processamento de peixes ou alimentos, onde os resíduos podem ser contaminados por bactérias indesejadas, bem como o lixo doméstico, que geralmente contém uma quantidade significativa de fraldas usadas com urina e fezes. O tratamento de explosão de vapor, além da fragmentação e hidrólise do material, proporciona a esterilização desejada. Em muitos países e regiões, o uso de resíduos alimentares ou outros resíduos potencialmente bacterianos, como na compostagem, requer esterilização em autoclave ou similar. O presente sistema provê a esterilização necessária do material de compostagem, o que é mais aceitável, além de um produto com maior valor.

[0041] Conforme aqui entendido, em modalidades preferenciais, a unidade de lavagem de dióxido de carbono constitui uma parte integrante do reator de explosão de vapor de fluxo contínuo quando a explosão de vapor é operada sob condições alcalinas. Uma parte superior da unidade de lavagem de dióxido de carbono é preferivelmente adaptada para prover a entrega de uma corrente de material proveniente da seção de retenção de alta pressão da unidade de explosão de vapor, de modo que a corrente de material através da seção de alívio de pressão seja direcionada com um padrão do tipo ciclone da corrente de resíduos dentro da seção de lavagem de dióxido de carbono, mas promovendo salpicos e dispersão em direção ao centro da seção de lavagem, onde a corrente de material residual alcalino e aquoso (o absorvedor) encontra a corrente rica em dióxido de carbono a ser lavada e, assim, melhora a eficiência da lavagem. O termo “padrão do tipo ciclone”, tal como aqui utilizado, refere-se a um padrão circular ou espiral geral. O ângulo de entrada da corrente de resíduos e as guias em forma de espiral dentro da unidade de lavagem melhoram o fluxo do tipo ciclone. Em algumas modalidades, o ângulo de entrada está na faixa de cerca de 5° a 30° em relação à horizontal, isto é, inclinado para baixo na horizontal, tal como em um ângulo na faixa de cerca de 5° ou de cerca de 10° a cerca de 30° ou a cerca de 25° ou a cerca de 20°. Isto é projetado para, ao mesmo tempo, interromper parcialmente o fluxo do tipo ciclone, causando salpicos e dispersão efetiva da corrente de entrada em direção à região central da seção de lavagem, e maximizando o contato com a corrente de gás rico em dióxido de carbono. Assim, em algumas modalidades, a unidade de lavagem compreende pelo menos uma inserção em forma de espiral e, preferivelmente, pelo menos duas inserções. Em uma modalidade, a unidade compreende duas espirais internas deslocadas verticalmente entre si, com a espiral superior possuindo uma folga em relação à parede interna da unidade de lavagem, enquanto a espiral inferior não possui folga. Esta configuração serve para efetivar a velocidade perpendicular parcial ao fluxo de padrão de ciclone primário da corrente de resíduos dentro da unidade de lavagem de carbono, efetuada pelo material transportado da espiral superior para a espiral inferior ao longo da parede interna da unidade de lavagem de carbono. A espiral inferior pode ainda ser provida com um padrão ondulado para guiar parcialmente o material em direção ao centro da unidade de lavagem e, preferivelmente, também provido com uma borda saliente na sua beirada interna, o que faz com que o componente perpendicular do material espirre e se disperse em direção ao centro.

[0042] O dióxido de carbono flui para o interior da unidade de lavagem de dióxido de carbono através de pelo menos uma entrada de dióxido de carbono, a qual é preferivelmente provida dentro de uma parte inferior da unidade de lavagem de dióxido de carbono, borbulhando assim através do acúmulo de material residual alcalino na parte inferior da seção de lavagem da unidade de pré-tratamento antes de subir através da seção de lavagem e encontrar o fluxo de material alcalino disperso que se move para baixo dentro da seção de lavagem. Opcionalmente, a unidade de lavagem está equipada com elementos de resfriamento e troca de calor para diminuir a temperatura do substrato e recuperar parcialmente o calor proveniente da explosão de vapor. Para maximizar a eficiência da troca de calor, esses elementos de resfriamento podem ser instalados na seção de condensação na parte inferior da unidade de lavagem e/ou em contato com as guia em espiral da unidade de lavagem. Os elementos de resfriamento podem ser vantajosamente utilizados para pré-aquecer a água para uma caldeira a vapor do sistema, aqui descrita mais detalhadamente.

[0043] Os termos “unidade de lavagem de dióxido de carbono” e “lavador de dióxido de carbono”, conforme aqui utilizados, referem-se ao fato de que o dióxido de carbono é direcionado / injetado na unidade de lavagem a ser adsorvido, portanto, a unidade de lavagem serve como unidade de lavagem regulara de dióxido de carbono, que tem a função geral de remover ou reduzir o conteúdo de CO2 proveniente de uma corrente rica em CO2; no entanto, no processo, o CO2 está sendo utilizado para diminuir o pH e tamponar o substrato alcalino / extrato aquoso (o absorvedor) gerado no processo de pré-tratamento, e aumentar a concentração de extrato de carbonato e bicarbonato com o objetivo de melhorar a conversão anaeróbia de dióxido de carbono em metano através da metanogênese em uma unidade de conversão de metano subsequente. Como descrito a seguir, o sistema é vantajosamente operado direcionando-se o CO2 que é gerado no sistema, como na unidade de digestão e/ou uma unidade de caldeira do sistema, para a unidade de lavagem de dióxido de carbono.

[0044] Uma unidade de lavagem secundária pode ser instalada de modo que seja alimentada com a fração líquida pré-filtrada que se acumula na região de assentamento da unidade de lavagem primária e pode estar em uma configuração convencional de pulverização descendente, com pressão elevada e temperatura reduzida do CO2 magro estimulado proveniente da unidade de lavagem primária alimentada a partir do fundo. Consequentemente, uma unidade de lavagem secundária no sistema pode, em algumas modalidades, ser operada a uma pressão na faixa de cerca de 500 kPa (5 bar) a 15.000 kPa (150 bar), tal como a um valor de pressão na faixa de cerca de 500 kPa (5 bar) ou de cerca de 1.000 kPa (10 bar) ou de 1.500 kPa (5 bar) ou de cerca de 2.000 kPa (20 bar) ou de cerca de 3.000 kPa (30 bar) ou de cerca de 4.000 kPa (40 bar), até cerca de 15.000 kPa (150 bar) ou até cerca de 14.000 kPa (140 bar) ou até cerca de 13.000 kPa (130 bar) ou até cerca de 12.000 kPa (120 bar) ou até cerca de 11.000 kPa (110 bar) ou até cerca de 10.000 kPa (100 bar) ou até cerca de 9.000 kPa (90 bar) ou até cerca de 8.000 kPa (80 bar) ou até cerca de 7.000 kPa (70 bar) ou até cerca de 6.000 kPa (60 bar) ou até cerca de 5.000 kPa (50 bar), e a temperatura está preferivelmente na faixa de 5°C a 40°C, como em uma faixa de cerca de 5°C ou de cerca de 10°C, ou de cerca 1°C a cerca de 5°C ou de cerca de 20°C, de cerca de 50°C ou a cerca de 45°C ou a cerca de 40°C ou a cerca de 35°C ou a cerca de 30°C.

[0045] Antes da introdução na câmara de explosão de vapor de alta pressão, o material recebido é preferivelmente alimentado através de uma seção de umedecimento e mistura, onde água pode ser adicionada à corrente para obter a proporção desejada de sólido / líquido e o material é então misturado, e o pH pode ser afetado, em particular para subsequente explosão de vapor alcalino; nesse caso, a solução alcalina é misturada à corrente na seção de umedecimento e mistura. A seção de umedecimento e mistura compreende, preferivelmente, um misturador de transporte de alimentação superior e uma armação de umedecimento, como um ou mais bicos de umedecimento. A porta de saída da seção de umedecimento e mistura é preferivelmente conectada ao reator de explosão de vapor por meio de uma válvula de dosagem rotativa e, mais preferivelmente, por uma combinação serial de uma válvula de dosagem rotativa e uma válvula de rotação de alta pressão, descrita em detalhes abaixo com referência a modalidades específicas, mas aplicável de forma geral à invenção. A conexão da seção de umedecimento e mistura à seção de retenção de alta pressão do reator de explosão de vapor garante que o material possa ser transmitido de forma contínua ou semicontínua a partir da seção de umedecimento e mistura (com pressão ambiente) para a seção de retenção de alta pressão, enquanto a alta a pressão está sendo mantida continuamente nesta última.

[0046] Na seção de retenção de alta pressão, o substrato carregado é transportado com meios adequados desde o ponto de carregamento até o ponto de saída, mas sem limitação, por meio de um transportador de velocidade ajustável, preferivelmente um parafuso transportador. A seção está equipada com pelo menos uma e, preferivelmente, duas ou mais portas de injeção de vapor e válvulas rotativas na extremidade de carregamento e liberação (denominados válvula de alimentação e válvula de descarga, respectivamente), preferivelmente cada uma está equipada com portas de injeção de vapor e portas de alívio de pressão, e são vantajosamente sincronizadas de modo que a queda de pressão na seção de retenção de alta pressão seja mínima durante a operação, e o tempo de retenção na seção de retenção de alta pressão seja ajustável em uma ampla faixa, ajustando a velocidade de transporte que é sincronizada com a carga e o alívio mecanismo das válvulas de alimentação e descarga. A sincronização é vantajosamente controlada através de uma unidade de controle, tal como um sistema PLC.

[0047] A porta de saída da seção de retenção de alta pressão é preferivelmente conectada verticalmente a uma válvula dosadora rotativa e a uma válvula de alívio de alta pressão rotativa, conforme descrito mais adiante nos exemplos. No ponto de tempo de saída, o substrato é transportado pela válvula dosadora rotativa para um compartimento da válvula rotativa de alívio de alta pressão, que nesse momento está de frente para a porta de saída da seção de retenção de alta pressão. A válvula rotativa gira então para abrir o compartimento pressurizado da seção de alívio de pressão (a seção receptora, que é preferivelmente a unidade de lavagem de dióxido de carbono), permitindo a explosão de vapor, antes de girar para uma posição de repressurização equipada com uma porta de injeção de vapor. A partir desta posição, o compartimento gira de volta para a posição de preenchimento.

[0048] No entanto, existem também, no âmbito da presente invenção, outras modalidades em que, em vez de explosão de vapor alcalino, é aplicada uma explosão de vapor ácido. Essas modalidades fazem uso de um arranjo de equipamento essencialmente semelhante com algumas pequenas modificações, pois não há lavagem de dióxido de carbono aplicada nessas modalidades e, em vez de saponificação alcalina, a corrente de resíduos recebida é acidificada com a solução de ácido aplicável, como por exemplo, mas sem limitação, com o ácido clorídrico parcialmente resultante da formação de ácidos graxos livres a partir do componente de gordura / óleo, em vez de saponificação. Após a explosão de vapor ácido e antes da separação, o pH da corrente tratada com explosão de vapor é aumentado através de mistura com álcalis, conforme preferível.

[0049] A unidade de pré-tratamento compreende ainda, em algumas modalidades, uma unidade de moagem (ou trituração) e/ou homogeneização que está disposta a montante do reator de explosão de vapor de fluxo contínuo. A unidade de trituração / homogeneização pode ser de qualquer tipo mecânico adequado conhecido por um técnico na arte, para moagem e/ou trituração ou tratamento mecânico semelhante do material recebido antes do processamento posterior de acordo com a invenção.

[0050] O reator de explosão de vapor e, em particular, o reator de explosão de vapor alcalino com unidade de lavagem de dióxido de carbono integrada, tanto no aspecto geral divulgado no presente documento como incluindo em todas as modalidades descritas e contempladas, contempla o aspecto essencial da presente invenção, também independentemente de outras unidades e componentes de outras unidades dentro do sistema como um todo. Assim, o reator de explosão a vapor pode ser provido e utilizado em outros arranjos que não aqueles especificamente divulgados e indicados aqui como o sistema completo da presente invenção.

[0051] Quando é recebida uma corrente de resíduos rica em gordura / óleo, tal como, sem limitações, resíduos de matadouros ou resíduos do óleo vegetal e da indústria pesqueira, essa corrente rica em gordura pode, em certas modalidades, ser vantajosamente direcionada a uma unidade de renderização, na qual ocorre uma pré-separação, separando o material oleoso do material sólido e aquoso. A unidade de renderização é configurada para separar da corrente entrante pelo menos uma porção e preferivelmente a maior parte de um componente de gordura / óleo da corrente e reduzir o volume da lama aquosa contendo sólidos restantes através da remoção de água. Isso acarreta uma redução substancial de volume e a fração restante da lama contendo proteína / carboidrato pode ser misturada com outros resíduos orgânicos e submetida a tratamento (explosão de vapor) na unidade de pré-tratamento. O componente de gordura / óleo que é obtido a partir da unidade de renderização pode, no entanto, ser sujeito diretamente à unidade de biodiesel ainda descrita abaixo e o componente aquoso pode ser suficientemente liberto de componentes orgânicos para ser direcionado ao esgoto ou tratamento de resíduos aplicável. A unidade de renderização é aplicável e útil para correntes de resíduos que podem ser facilmente separadas em seus respectivos componentes de água, óleo / gordura e proteína (após a trituração, quando for vantajoso). A renderização tipicamente envolve um período de aquecimento moderado com pressão atmosférica (tipicamente dentro de uma faixa de cerca de 80°C a 100°C, preferivelmente em uma faixa de cerca de 90°C a 95°C, por um período de tempo na faixa de cerca de 30 minutos a 60 minutos) seguida por separação centrífuga. Consequentemente, a unidade de renderização compreende, em algumas modalidades, um tanque de aquecimento / retenção, um decantador e uma centrífuga, ou uma unidade combinada compreendendo a funcionalidade do decantador e da centrífuga, conforme descrito aqui em uma modalidade especial da unidade de separação trifásica. A fração contendo sólidos restantes da unidade de renderização é então vantajosamente direcionada para a unidade de pré-tratamento, para esterilização e hidrólise como descrito acima. Isso aumenta a eficiência do sistema, pois a carga na unidade de pré-tratamento pode ser substancialmente reduzida.

[0052] A unidade de separação do sistema de acordo com a presente invenção compreende em algumas modalidades uma seção de condicionamento, uma seção contínua de separação de gordura / óleo, um separador líquido / sólido e um purificador centrífugo. Em algumas modalidades, a seção de condicionamento da unidade de separação compreende uma câmara com um misturador e meios (tal como armação) para introduzir solução ácida (e/ou outra solução), tal como para ajuste de pH do material residual pré-tratado contido na câmara, e ainda uma válvula de descarga para descarregar material condicionado. O misturador dentro da unidade de condicionamento pode ser qualquer um de uma seleção de misturadores adequados conhecidos pelos técnicos na arte, em algumas modalidades o misturador é um misturador de transporte. Em modalidades preferenciais, a seção de separação contínua de gordura / óleo compreende um tanque alongado disposto verticalmente, dentro do qual está localizado um tubo alongado centralmente e coaxialmente disposto. Uma válvula de descarga é preferivelmente disposta na entrada do referido tubo central, através da qual o material condicionado pode ser descarregado a partir da seção de condicionamento da unidade para o interior do tubo. O tubo ou tanque compreende, preferivelmente, um ou mais injetores de microbolhas perto da extremidade inferior do tubo e uma válvula de saída. Preferivelmente, a seção de separação de gordura / óleo compreende ainda meios para alimentar gordura / lipídeo acumulado na superfície do líquido dentro do tanque para um tanque de tamponamento de gordura / óleo ou no purificador centrífugo, tal como, sem limitação, a bomba de superfície e/ou a bolsa de drenagem de transbordamento. O separador de líquido / sólido é, em algumas modalidades, configurado como um transportador (por exemplo, um parafuso transportador) fechado em um invólucro, como um parafuso transportador em um invólucro cilíndrico, que é disposto em um ângulo; a lama aquosa, a partir da qual as gorduras e os óleos foram separados, é alimentada no parafuso transportador em uma entrada pela extremidade inferior do invólucro cilíndrico, o parafuso transportador transporta material sólido para cima através do invólucro em direção a uma porta de saída para uma fração que compreende sólidos, a porta de saída que fica na extremidade superior do invólucro / transportador ou próximo ao mesmo. O transportador e o invólucro podem ser dispostos em um ângulo em uma faixa de cerca de 5° a 45°, tal como em um ângulo na faixa de cerca de 5° ou de cerca de 7° ou de cerca 10° ou de cerca de 12°, até cerca de 45° ou até cerca de 40° ou até cerca de 35° ou até cerca de 30° ou até cerca de 25°.

[0053] Quando a explosão de vapor alcalino está sendo aplicada com uma unidade de lavagem de dióxido de carbono integrado, a lama que sai da unidade de lavagem de dióxido de carbono entra na seção de condicionamento e é tipicamente ajustada no que tange o pH (o pH foi reduzido na unidade de lavagem por meio do CO2). Nos casos em que uma unidade de lavagem secundária é instalada, o efluente proveniente da unidade de lavagem secundária é combinado com a lama proveniente da unidade de lavagem primária antes deste ajuste de pH. O ajuste do pH faz com que os sais alcalinos dos ácidos graxos sejam convertidos em ácidos graxos livres e, portanto, possam ser separados da fase aquosa por meio de flutuação. Isso ocorre na seção de separação contínua de gordura / óleo. Assim, a seção de separação trifásica provê: (i) uma fração compreendendo ácidos graxos livres juntamente com gorduras e óleos não hidrolisados restantes; (ii) uma fração compreendendo o extrato aquoso, preferivelmente com menos de 15% de sólidos em suspensão, mais preferivelmente menos de 12% ou menos de 10% de sólidos em suspensão, e ainda mais preferivelmente menos de 8% ou menos de 6% de sólidos, sendo isto ajustável; e (iii) uma fração compreendendo um substrato sólido, que geralmente se refere a uma fração que possui preferivelmente pelo menos 25% de conteúdo de material seco, e mais preferivelmente um maior conteúdo de material seco, tal como pelo menos 28% ou pelo menos 30%, e ainda mais preferivelmente em pelo menos 35% ou pelo menos 40% e mais preferivelmente pelo menos 45% ou pelo menos 50%, tal como pelo menos 55% ou pelo menos 60%. O conteúdo de material seco do substrato sólido e a fração sólida suspensa na fase aquosa são ajustáveis, tal como pelo ajuste da extensão e da densidade da perfuração e do tamanho do furo da placa inferior perfurada da seção de separação de sólido / líquido, conforme descrito mais abaixo.

[0054] A primeira fração de gordura / óleo mencionada pode ser vantajosamente direcionada para a unidade de biodiesel para ser submetida à esterificação e/ou transesterificação. Conforme mencionado, a unidade de biodiesel é vantajosamente adaptada para receber um fluxo contínuo de um componente de gordura / óleo da unidade de separação e para funcionar como uma unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo. Isso significa uma unidade que produz essencialmente um fluxo contínuo de biodiesel.

[0055] Em uma modalidade preferencial de acordo com a invenção, a seção de separação compreende uma unidade de decantador centrífugo que combina todas as seções de uma unidade de separação trifásica em um mesmo instrumento. Essa unidade geralmente compreende um parafuso transportador decantador combinado e um disco centrifugador, que também é referido como placa centrífuga cônica, centrífuga de prato discal e separador de pilha discal, sendo esses termos sinônimos no contexto do presente documento. Esses componentes funcionais formam uma seção de decantador e uma seção centrífuga, respectivamente. O decantador centrífugo geralmente compreende um abrigo de decantador que se junta a um parafuso transportador, o abrigo de decantador e o transportador são rotativamente independentes em um eixo de rolamento axial. A seção de decantador compreende ainda pelo menos uma entrada que é preferivelmente disposta estacionária e axialmente dentro de um eixo de rolamento axial. A entrada alimenta o material para o interior do abrigo de decantador. Uma saída de matéria sólida é disposta próxima à extremidade distal do parafuso transportador (a extremidade da seção centrífuga). A unidade compreende ainda um abrigo de separação de discos que encerra o disco centrifugador mencionado. Pelo menos um impulsor está disposto entre o abrigo de decantador e o abrigo de separação de discos que transmite líquido através dela, uma saída de fase pesada e uma saída de fase mais leve, o impulsor é preferivelmente estacionário. A unidade de decantador centrífugo descrita e detalhada nos exemplos pode, como tal, funcionar independentemente para a separação desejada de correntes orgânicas com água, óleos e matéria sólida e, em certos aspectos, pode ser provida como uma unidade independente, adequada para um sistema, conforme divulgado aqui, mas também em diferentes sistemas e aplicações.

[0056] De acordo com a invenção, a unidade de produção de biodiesel compreende, em uma modalidade preferencial, um reator modular de biodiesel de fluxo contínuo que compreende placas de contato revestidas com catalisador de esterificação para catalisar a esterificação de ácidos graxos livres e/ou para a transesterificação de glicerídeos. O termo “placas de contato” indica que as placas entram em contato com o material adiposo / lipídico introduzido. As placas são onduladas em algumas modalidades, com o intuito de aumentar a área superficial e melhorar a dinâmica e o contato do fluxo. Preferivelmente, um ou ambos os lados das placas de contato são revestidos com material catalítico imobilizado, dependendo da configuração do fluxo. Os catalisadores de esterificação são como conforme os conhecidos na arte, e um catalisador adequado podem ser selecionados pelo técnico na arte. O catalisador é, em algumas modalidades, um catalisador de estado sólido ou, em outras modalidades, pode ser um catalisador enzimático, que pode ou não ser imobilizado em um substrato sólido. O reator pode ainda compreender espaçadores para separação ajustável das placas de contato, os espaçadores também podem ser revestidos com catalisador e, preferivelmente, os espaçadores têm superfície interna que perturba o fluxo, para melhorar o fluxo turbulento e a mistura de forma eficiente. Preferivelmente, um misturador é disposto dentro do reator entre as placas de contato, tais como, sem limitação, um ou mais misturadores estáticos. Preferivelmente, uma pluralidade de misturadores estáticos está disposta entre placas de contato, estes podem ser, mas não estão limitados a, membros de perfil que se estendem verticalmente, tais como perfis em forma de V, perfis curvos, barras, malhas ou similares.

[0057] Em algumas modalidades, as placas de contato no reator são dispostas com catalisador em um lado, e as placas sendo dispostas de modo que os lados revestidos se voltem um para o outro, e o fluxo de material sendo direcionado através do reator de modo que o meio reagente flua entre os lados revestidos com catalisador, e o meio térmico flua nos canais entre os lados não revestidos.

[0058] Em algumas modalidades, pelo menos um catalisador homogêneo é aplicado, o qual pode ser, mas não está limitado a, um catalisador ácido, tal como ácido sulfúrico, ou um catalisador alcalino, tal como, mas não limitado a, hidróxido de sódio, metóxido de sódio ou hidróxido de potássio ou metóxido de potássio. No entanto, o catalisador alcalino homogêneo convencional não é aplicável a matérias-primas que compreendem uma quantidade substancial de ácidos graxos livres. Consequentemente, em algumas modalidades, pelo menos um catalisador heterogêneo é aplicado, o qual pode ser um catalisador orgânico ou inorgânico, tal como os conhecidos na técnica, ou um catalisador enzimático. Em algumas modalidades, conforme descrito a seguir, uma combinação de catalisadores é usada em reatores separados ou em seções separadas do reator, em que um primeiro catalisador catalisa a esterificação de ácidos graxos livres e um segundo catalisador catalisa a transesterificação dos glicerídeos em uma segunda seção. Nos casos em que a combinação de catalisadores é usada em reatores separados, a purificação intermediária por evaporação instantânea ou resinas pode ser introduzida entre os reatores. A purificação intermediária de resina também pode ser introduzida quando um único catalisador ou uma combinação de catalisadores é usado em um único arranjo de reator.

[0059] O reator é preferivelmente equipado com um sistema de entrada para permitir a mistura eficaz dos reagentes antes de injeção no reator, o que inclui a adição de um álcool (metanol / etanol) conforme necessário na reação de produção. Em algumas modalidades, o etanol produzido dentro do sistema é usado como reagente na produção de biodiesel. Em algumas modalidades, um catalisador homogêneo adicional pode ser acrescido através da entrada. Esse catalisador adicional pode ser um catalisador líquido, acrescido como catalisador adicional e/ou para a ativação do catalisador de estado sólido nas placas do reator. O sistema de entrada pode compreender um pré-misturador, para misturar material reagente condicionado com um cosolvente e/ou misturar um catalisador adicional, tal como ácido sulfúrico, com o cosolvente. Cosolventes úteis compreendem ésteres metílicos e podem, preferivelmente, ser providos através de circulação parcial do biodiesel produzido. O pré-misturador pode ser de estágio duplo, o que significa que, em um primeiro estágio, certos materiais são misturados e, em um segundo estágio, esses materiais são misturados com outras substâncias, ou substâncias que podem ou não ser pré-misturadas em um pré-misturador adicional. Nos reatores, as placas são preferivelmente empilhadas com duas superfícies revestidas alternadas voltadas uma para a outra e duas superfícies não revestidas voltadas uma para a outra. Qualquer outra sequência de empilhamento é opcional, se vantajosa.

[0060] Em algumas modalidades, o reator de biodiesel de fluxo contínuo é encapsulado em um invólucro externo, em particular quando é desejada uma operação de alta pressão, o invólucro pode, por exemplo, ser um equalizador de pressão diferencial que compreende um invólucro selado. As portas de entrada e saída do reator (para reagentes e/ou fluidos térmicos) podem, em algumas modalidades, estender-se para fora do revestimento através de vedação tubular de alta pressão.

[0061] Em algumas modalidades, o reator é dividido em seções nas quais é vantajoso executar a esterificação de FFAs e a transesterificação da fração de glicerídeos, separadamente. Em tais configurações, uma ou ambas as seções podem ser executadas com catalisadores homogêneos com purificação / condicionamento adequados como uma etapa intermediária. Consequentemente, em algumas modalidades, o biodiesel compreende pelo menos dois reatores conectados em série ou seções de reator. Em uma dessas modalidades, a esterificação com catalisador ácido homogêneo é efetuada no primeiro reator e/ou seção de reator, e a transesterificação com catalisador básico homogêneo é efetuada no segundo reator e/ou seção de reator. Quando essa separação é aplicada entre a esterificação e a transesterificação, a purificação e a remoção de água podem ser efetuadas por evaporação instantânea e troca de íons entre os referidos reatores ou seções de esterificação e transesterificação.

[0062] Para gerar a superfície catalítica onde um catalisador de estado sólido é preferível, as superfícies que confinam o canal reacional do reator de biodiesel de fluxo contínuo podem ser revestidas em uma ou mais etapas, por exemplo, precipitação e calcinação, revestimento por pulverização térmica, deposição de vapor químico, revestimento reativo, deposição de camada atômica ou qualquer outro método de revestimento ou combinação destes, provendo um revestimento áspero e com alta área superficial, sobressaindo da superfície.

[0063] Esponjas de metal (por exemplo, titânio ou zircônio) ou estruturas porosas podem ser cultivadas, quando aplicável, diretamente na superfície ou trazidas à superfície a partir de pós das respectivas esponjas de metal.

[0064] O doping, quando vantajoso, pode ser alcançado na mesma etapa ou através, por exemplo, da deposição química de vapor. A oxidação controlada pode então ser assistida termicamente, ou não termicamente, através da exposição aos meios oxidantes apropriados na forma gasosa ou líquida, por exemplo, ar, oxigênio, soluções oxidativas de sais ou óxidos metálicos. O revestimento direto com óxidos também pode ser alcançado através da precipitação direta na superfície ativa ou pré-tratada e calcinação consecutiva.

[0065] O revestimento provê ao mesmo tempo a atividade catalítica desejada e a mistura microscópica eficiente na superfície de alta proporção.

[0066] Nos casos em que a catálise enzimática é aplicada, a imobilização é preferivelmente obtida por meio de ligação covalente a um substrato inorgânico com grandes áreas de superfície, tal como sílica ou óxido de alumínio, mas também pode ser alcançada por meio de fisissorção ou encapsulamento e, quando vantajoso, o substrato pode ser material orgânico, tal como, por exemplo, amido ou colágeno.

[0067] O reator de biodiesel, conforme descrito aqui e em todas as suas modalidades, incluindo, mas não se limitando, às modalidades exemplificadas em mais detalhes nos exemplos, pode, como tal, funcionar independentemente para qualquer produção de biodiesel e não está limitado à operação em um sistema de conversão de resíduos, conforme divulgado aqui, mas também em qualquer produção genérica de biodiesel.

[0068] A fração de extrato aquoso da unidade de separação trifásica é preferivelmente sujeita diretamente à digestão anaeróbica termofílica para produção de metano e/ou fermentação para a produção de álcool etílico na unidade de digestão do sistema, conforme descrito em detalhes a seguir. Ambos os processos são conhecidos na arte. Geralmente, a produção de etanol por fermentação incluirá a adição ou manutenção de levedura ativa no tanque de fermentação no qual a corrente rica em carboidrato aquoso é alimentada. Em algumas modalidades da invenção, uma única unidade é configurada para que possa produzir metano ou etanol, e o usuário pode alternar entre os dois modos de produção, dependendo das correntes de resíduos recebidas. Isto é, em suma, conseguido da limpeza da unidade e, no caso de iniciar a produção de metano, é introduzido um estoque compreendendo bactérias de alimentação, enquanto que no caso da produção de etanol, é introduzido um estoque que contém levedura. Em outras modalidades, duas unidades podem ser dispostas de modo que uma seja dedicada à produção de metano e a outra seja dedicada à produção de etanol por fermentação.

[0069] A fração que compreende o substrato sólido proveniente da unidade de separação trifásica é direcionada para a unidade de compostagem acelerada do sistema. A unidade de compostagem acelerada é preferivelmente uma unidade semicontínua de três estágios. Em tal unidade semicontínua de três estágios, de acordo com a invenção, o primeiro estágio serve para mistura e iniciação, onde o substrato fresco é misturado com composto semente. O substrato, emergindo da unidade de separação trifásica, está preferivelmente a uma temperatura na faixa de cerca de 40°C a 50°C nesta fase, e pode assim ser submetido diretamente à compostagem termofílica, ignorando a etapa mesofílica. Além disso, através da ruptura da estrutura de material denso celulósico ou rico em lignina, a pré-hidrólise do material celulósico e lignina e a decomposição do componente de proteína em peptídeos e aminoácidos mais curtos na unidade de pré-tratamento com explosão de vapor, a digestão termofílica é consideravelmente acelerada e a alta digestibilidade do material rico em C permite uma proporção C:N comparativamente baixa na fase de iniciação. Esta fase é preferivelmente mantida sob mistura contínua ou semicontínua, preferivelmente por um período na faixa de cerca de 2 horas a cerca de 6 horas, e mais preferivelmente dentro de uma faixa de cerca de 3 horas a cerca de 6 horas, tal como uma faixa de cerca de 3 horas a 5 horas ou uma faixa de cerca de 4 horas a 6 horas, tal como cerca de 3 horas, cerca de 4 horas, cerca de 5 horas ou cerca de 6 horas, antes da transferência para o estágio dois.

[0070] Uma vez que o material orgânico transferido para a unidade de compostagem foi submetido ao tratamento de explosão a vapor, proporcionando esterilização de material patogênico em potencial e maior digestibilidade de material de celulose, papel, fraldas etc. ricos em carbono, o processo de compostagem na presente invenção pode acomodar uma proporção de carbono:nitrogênio (C:N) mais ampla: do que na compostagem convencional. Em algumas modalidades, no entanto, a C:N é monitorada ou avaliada com base na corrente de resíduos recebida e a proporção C:N do material de compostagem é ajustada com material rico em carbono, tal como, mas não limitado a, resíduos de jardins, glicerol (por exemplo, a partir da produção de biodiesel do sistema) descarte de farinha, massa, frutas e outros resíduos ricos em carbono da indústria de alimentos, e descarte sólido com alto teor de açúcar de outras fontes. A proporção C:N na etapa de iniciação é equilibrada para atingir uma proporção preferivelmente na faixa de 10 a 20, e preferivelmente na faixa de 15 a 20, mas também pode ser conduzida com C:N na faixa de cerca de 10 a cerca de 15.

[0071] No estágio de etapa de mistura e iniciação, em algumas modalidades, uma fração de lodo removido a partir da digestão anaeróbica e/ou fermentação pode ser vantajosamente misturada no substrato de compostagem.

[0072] Após a primeira etapa, o substrato de compostagem deve estar preferivelmente no pico do estágio termofílico ou próximo deste, e depois é transferido para um segundo estágio mediante mistura de materiais volumosos, tais como lascas de madeira, preferivelmente recuperados após a terceira etapa de envelhecimento do lote anterior, mas também pode, ou alternativamente, ser de outra origem, tal como os de resíduos de jardins. Preferivelmente, o material volumoso é continuamente misturado com o substrato na transferência de substrato do primeiro estágio (iniciação) para o segundo estágio (incubação), como em um parafuso transportador cônico, configurado preferivelmente de modo que seu volume aumente adequadamente ao longo da direção da transferência. Assim, em algumas modalidades, o substrato é transportado da seção de iniciação para a seção de incubação com um transportador, tal como um parafuso transportador, em que o transportador aumenta em volume / diâmetro em uma seção ao longo da direção de transporte, tal como através de um parafuso transportador cônico, preferivelmente em que o diâmetro ou volume aumenta por um fator na faixa de cerca de 20% a 50%. Um alimentador adequado, tal como uma tremonha, pode ser disposto e unido à seção de alargamento do transportador para alimentar o material volumoso a ele. O segundo estágio, o estágio de incubação, ocorre em algumas modalidades sem agitação, mas é preferivelmente realizado com aeração e umidificação ativas (forçadas). Nesta segunda etapa, a fase termofílica é concluída ou quase concluída, preferivelmente em um período na faixa de cerca de 24 horas a cerca de 96 horas, após o qual o substrato é transferido para a terceira etapa, denominada etapa de envelhecimento. No terceiro estágio, o substrato é submetido ao envelhecimento conforme apropriado, tipicamente durante uma duração na faixa de cerca de três meses a cerca de um ano, tal como em pilhas ao ar livre ou outros arranjos adequados.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0073] A seguir, serão descritas modalidades exemplificativas da presente invenção, com referência às figuras. Estes exemplos são providos para proporcionar um entendimento adicional da invenção, sem limitar seu escopo.

[0074] Na descrição a seguir, uma série de etapas é descrita. O técnico na arte reconhecerá que, a menos que exigido pelo contexto, a ordem das etapas não é crítica para a configuração resultante e seu efeito. Além disso, será evidente para o técnico na arte que, independentemente da ordem das etapas, a presença ou ausência de atraso de tempo entre as etapas pode estar presente entre alguns ou em todas as etapas descritas.

[0075] O sistema provê uma solução completa de tratamento orgânico de resíduos e compreende as principais unidades modulares para: i) pré- tratamento de diferentes correntes de resíduos orgânicos (1000, Figuras 2 e 3); ii) separação desses resíduos orgânicos pré-tratados em componentes adequados para processamento adicional (2000, Figuras 4 e 5); iii) conversão desses componentes em combustíveis adequados para fins de transporte (3000 e 4000, Figura 6); e iv) conversão de resíduos sólidos em composto de alta nutrição (5000, Figura 7).

[0076] Módulos e componentes individuais do sistema foram projetados para aumentar a funcionalidade além do estado da arte atual, minimizar o consumo de energia e a pegada de carbono, e maximizar os benefícios ambientais e econômicos.

[0077] O sistema provê uma conversão completa de diferentes correntes de materiais residuais e combinações destes.

[0078] Os diferentes combustíveis que podem ser produzidos com esse processo são: metano, etanol e ésteres metílico, etílico e propílico de ácidos graxos (doravante referidos como biodiesel).

[0079] Estes e produtos intermediários também podem constituir matéria-prima para a síntese de outros combustíveis ou outras entidades químicas valiosas.

[0080] O sistema como um todo é configurado para garantir a sinergia máxima de componentes individuais. O sistema é ergonomicamente e economicamente vantajoso, além das abordagens atuais de gerenciamento ambientalmente atento dos componentes orgânicos dos resíduos municipais e comunitários.

[0081] A presente invenção foi projetada para minimizar o consumo de energia e a pegada de carbono, além de reduzir a necessidade de incineração e descarte de resíduos orgânicos em aterros.

[0082] O sistema é acomodado preferivelmente em instalações centralizadas de gerenciamento de resíduos municipais e é composto por unidades modulares, cuja combinação pode ser adaptada aos requisitos específicos de cada instalação ou local.

[0083] No entanto, componentes individuais ou qualquer combinação destes podem ser instalados no ponto de geração do resíduo respectivo ou em qualquer instalação de tratamento, transporte ou manuseio de componentes de resíduos orgânicos, com vistas à integração vantajosa de componentes individuais nos sistemas de gerenciamento de resíduos existentes ou unidades “independentes”, quando assim for vantajoso.

[0084] Os componentes ou suas combinações também podem ser ajustados para produzir alimentos humanos ou animais de alto valor a partir de correntes de resíduos individuais, isoladamente ou em combinação com a produção de combustível, se preferível.

[0085] Assim, a presente solução é flexível e pode ser ajustada a diferentes composições de correntes de resíduos em diferentes pontos de sua descarga e em diferentes instalações de gerenciamento de resíduos, com o objetivo de maximizar os benefícios ergonômicos e econômicos em cada caso.

[0086] Na presente invenção, as correntes de resíduos orgânicos são categorizadas como correntes ricas em carboidratos (C), gorduras (G) e proteínas (P) ou qualquer combinação destes.

[0087] A solução do sistema é uma combinação de unidades modulares de pré-tratamento, separação e conversão, cada uma sendo preferivelmente otimizada para lidar com uma determinada corrente de resíduos rica em C, G e/ou P ou qualquer composição específica.

[0088] Em uma modalidade preferencial, todos os componentes orgânicos são combinados e pré-tratados, após trituração e homogeneização, conforme apropriado.

[0089] O processo de pré-tratamento (1000) serve para afetar a degradação e a hidrólise dos componentes de lignina e celulósicos (C) em material biodegradável de forma mais fácil, e a hidrólise simultânea do componente proteico (P) em peptídeos e aminoácidos menores, bem como hidrólise e/ou saponificação de gorduras e óleos (G).

[0090] O processo de pré-tratamento nessa estratégia preferencial é baseado em uma explosão de vapor de fluxo contínuo (1200, 1300). O reator de explosão a vapor é preferivelmente operado sob condições alcalinas, efetuando hidrólise alcalina ou saponificação de todos os componentes de resíduos orgânicos, combinado com a extração simultânea de hidrocarbonetos solúveis, aminoácidos ou peptídeos, bem como ácidos graxos e sais dos mesmos.

[0091] Quando a explosão do vapor é acionada em meio alcalino, o extrato alcalino aquoso e o substrato sólido são subsequentemente reduzidos em pH com o CO2 (S01) emitido pela produção de biogás anaeróbico a jusante ou pela unidade de fermentação (3000), onde é produzido metano ou etanol, respectivamente. Isso é conseguido através da construção da seção de alívio de pressão da seção de explosão de vapor das unidades de pré- tratamento, de modo que sirva adequadamente como uma seção de lavagem de CO2 integrada (1400) ao mesmo tempo, compreendendo entradas angulares e inserções espirais necessárias para o direcionamento do substrato para um fluxo semelhante ao ciclone, mas ao mesmo tempo direcionando e dispersando uma fração do material para dentro em direção ao centro da seção de lavagem de dióxido de carbono e de alívio de pressão. Onde uma unidade de lavagem secundária é instalada, o efluente da unidade de lavagem secundária é combinado com a lama proveniente da unidade de lavagem primária antes do ajuste do pH.

[0092] O processo de pré-tratamento (1000) serve para a geração de uma solução ou suspensão estéril, de alta nutrição e com alta biodisponibilidade, adequada para a produção de metano em uma digestão anaeróbica ou, alternativamente, para a fermentação para produzir etanol. Além disso, o processo de pré-tratamento, quando a explosão do vapor é conduzida em condições alcalinas, é projetado para servir como unidade de lavagem para remoção de CO2 (1400) do biogás produzido a jusante através da digestão anaeróbica (S01) dos nutrientes extraídos do sólido substrato ou para remoção de CO2 (S01) da fermentação do substrato (extrato) para produzir etanol e/ou para remoção de CO2 do gás de combustão que sai da caldeira, provendo vapor de alta pressão para o processo (U01, S02).

[0093] A utilização da unidade de pré-tratamento como unidade de lavagem de CO2 serve a três propósitos distintos: (i) remoção de CO2 a partir do biogás produzido a jusante através da digestão anaeróbica (S01) do extrato aquoso gerado no processo de pré-tratamento ou a partir da unidade de fermentação (S01) onde o etanol é produzido, bem como a partir da caldeira a vapor de alta pressão (U01, S02) de acordo com as Equações 1a, 1b e 1c; CO2 + H2O ^ H2CO3 (aq) 1a H2CO3 (aq) + NaOH (aq) ^ NaHCO3 (aq) 1b NaHCO3 (aq) + NaOH (aq) ^ Na2CO3 (aq) 1c (ii) redução do pH e tamponamento do substrato / extrato aquoso gerado no processo de pré-tratamento, ou seja, antes de ser submetido à separação trifásica (para que o extrato aquoso seja utilizado na produção de metano (S04) através da digestão anaeróbica ou alternativamente à geração de álcool por fermentação (3000); e (iii) aumento da concentração de carbonato e bicarbonato do extrato para aumentar a conversão anaeróbica de dióxido de carbono em metano por metanogênese.

[0094] Consequentemente, o processo de pré-tratamento como um todo serve simultaneamente para a esterilização, para aumentar a biodisponibilidade do material orgânico residual através da ruptura estrutural de material compacto de fibra, como uma unidade de pré-hidrólise, como uma unidade de extração e como uma unidade de lavagem de CO2. O presente processo foi projetado para aumentar o rendimento e a taxa de transferência da produção de biogás além do estado da arte atual e, ao mesmo tempo, reduzir a tensão do refino de biogás em metano de classe combustível.

[0095] Após a redução do pH através da lavagem de CO2 do biogás e a conversão resultante de CO2 em ácido carbônico, bicarbonato e carbonato (conforme descrito acima nas Equações 1a, 1b e 1c), o extrato líquido e o substrato sólido são adicionalmente ajustados na seção de condicionamento (2100) da unidade de separação (2000) onde o ajuste do pH faz com que os sais alcalinos dos ácidos graxos sejam convertidos em ácidos graxos livres e possam ser separados da fase líquida por meio de flotação (2200). O processo de separação / condicionamento trifásico (2000) resulta em: i) uma fração contendo ácidos graxos livres, juntamente com as gorduras e óleos não hidrolisados restantes (S05); ii) uma fração que contém o extrato aquoso com menos de 15% de sólidos em suspensão (S06); e iii) o substrato sólido (S07).

[0096] Alternativamente, todo o conteúdo de gordura e óleo na forma de ácidos graxos livres e/ou mono-, di- e triglicerídeos é submetido à digestão anaeróbica juntamente com outros alimentos (S08).

[0097] Conforme mencionado acima, a unidade de separação trifásica, em algumas modalidades, compreende uma seção separada de separação de gordura / óleo e uma seção separada de separação de líquido / sólido. Em uma modalidade preferencial, a seção de separação trifásica é combinada em um instrumento decantador centrífugo. Modalidades exemplificativas são descritas em detalhes nos Exemplos, com referência às Figuras de 4a a 4c e Figuras 5a e 5b, respectivamente, e os princípios de funcionamento do decantador centrífugo combinado são detalhados abaixo.

[0098] O decantador centrífugo combinado da presente invenção compreende um abrigo de decantador e um abrigo de separação de discos cônicos, ambos montados rotativamente em um eixo de rolamento comum. Os abrigos podem girar de forma independente. Um parafuso transportador dentro do abrigo de decantador é rotativo em torno do próprio eixo. Uma entrada estacionária axialmente centralizada alimenta o material no abrigo de decantador. Um impulsor de bomba estacionária é posicionado entre o abrigo de decantador e o abrigo de separação de discos cônicos. O abrigo de separação de discos cônicos inclui um separador que compreende um disco de distribuição e discos de separação rotativos em um eixo interno. No topo dos discos de separação há um disco superior com um tubo de saída no centro para a fase mais leve e no final do abrigo de separação cônica há um tubo de saída para a fase pesada.

Princípios de funcionamento do decantador centrífugo combinado

[0099] O separador é baseado em dois princípios bem conhecidos de separação, um decantador de parafuso transportador (seção do decantador) e um disco centrifugador (seção de centrífuga). O objetivo é separar uma fração de sólidos (líquido que consiste em >25% de matéria seca), uma fase líquida pesada (fase aquosa) e uma fase líquida leve (fase gordura / óleo) em uma única máquina.

[00100] O abrigo de decantador gira preferivelmente com uma velocidade de pelo menos 3.800 rpm e o parafuso no interior gira uma velocidade um pouco menor. Com referência às Figuras 5a e 5b, a matéria- prima é bombeada através do tubo de entrada (2504) e é distribuída no decantador através dos orifícios de saída (2509) e (2517). Devido às forças centrífugas, o material mais pesado (matéria seca) é forçado para a periferia do decantador e será transportado pelos meios do parafuso transportador para a saída do decantador (2510). A fase líquida se localizará em forma de tambor dentro do decantador e antes que a periferia interna da forma de tambor com água atinja os orifícios de saída (2510), a fase entrará na periferia externa do impulsor estacionário (2511), que converterá a energia da velocidade na fase líquida em energia de pressão e pressionará o líquido em direção ao centro do impulsor, onde será bombeado para a parte centrífuga discal do separador. A partir do centro, ela entrará no disco de distribuição (2512), que a distribuirá igualmente pelos orifícios dos discos de separação (2513). A separação do líquido em fase pesada (por exemplo, água) e fase mais leve (por exemplo, óleo ou gordura) ocorrerá na superfície dos discos de separação, e a capacidade e a taxa de separação dependerão da superfície total dos discos. A fase mais pesada, juntamente com restos de matéria seca que podem ter sido trazidos, é empurrada para a periferia e preenchem o abrigo de separação e pressiona o material de fase mais leve em direção ao centro da centrífuga onde a fase mais leve atinge e é alimentada ao tubo de saída para a fase mais leve (2520). A divisão / separação entre as fases leve e pesada dependerá da diferença na gravidade especial das duas fases. A fase mais pesada será pressionada através do tubo de saída (2521). A pequena quantidade de matéria seca é empurrada para a periferia do abrigo de centrífuga e, devido à sua forma cônica e às forças centrífugas, a matéria seca se move na direção da parte do decantador do separador. Na placa fixa (2514) e na placa fixa (2507), existem pequenos orifícios na periferia, que permitem que a matéria seca, juntamente com uma pequena quantidade de fase líquida pesada, atravesse e entre na parte do filtro do separador. A matéria sólida é coletada pelo parafuso transportador (2516) e transportada para a saída (2510), enquanto o líquido circula novamente para a centrífuga pelo impulsor estacionário (2511). Os pequenos orifícios nas placas fixas causam um pequeno vazamento interno, mas a queda de pressão nos orifícios assegura que uma pressão mais alta seja estabelecida na parte centrífuga em comparação a pressão na parte do decantador, e garante que uma fase limpa e pesada passará através do tubo de saída (2521) e a fase mais leve passará através do tubo de saída (2520).

[00101] Quando os componentes de gordura / óleo são separados da solução / suspensão aquosa, eles são submetidos à esterificação e/ou transesterificação conforme apropriado para a produção de biodiesel, preferivelmente em uma unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo (4000), que é uma parte da presente invenção e também pode estar sozinha e operar de forma independente. Alternativamente, esta unidade de biodiesel de fluxo contínuo pode ser adaptada às instalações de produção de alimentos ou rações onde a transesterificação ou esterificação de gorduras constitui parte integrante do processo; por exemplo, a produção de éster etílico de ácidos graxos na indústria de óleo de peixe.

[00102] Em uma modalidade preferencial, a unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo constitui um sistema de fluxo contínuo de etapa única (4000) ajustável a qualquer combinação de FFAs e glicerídeos e com alta tolerância à água. Normalmente, o sistema provê catalisadores de estado sólido fixos em placas empilhadas de conversão catalítica de alto cisalhamento e misturadores estáticos de placas turbulentas (4111 e 4131). No entanto, a unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo também é projetada para a combinação convencional de esterificação ou transesterificação ou transesterificação catalisada por ácido e base homogênea, ou uma combinação destas, exigindo então dois reatores e eventuais etapas intermediárias de purificação.

[00103] O extrato aquoso da unidade de separação trifásica é preferivelmente sujeito diretamente à digestão anaeróbica termofílica para produção de metano ou à fermentação para a produção de álcool etílico.

[00104] Na modalidade preferencial atual, o digestor de metano é combinado com um sistema de fermentação para a produção de álcool etílico. Nesta modalidade, o digestor e o sistema de fermentação constituem uma unidade de produção que pode ser usada alternadamente para produção de metano ou etanol em resposta à ergonomia da produção, logística e demanda acentuada dos produtos individuais.

[00105] O sistema também pode ser composto de unidades dedicadas para produção de metano por digestão anaeróbica ou produção de etanol por fermentação.

[00106] A digestão anaeróbica termofílica ocorre preferivelmente em um sistema de digestão anaeróbica de alta taxa com baixo tempo de retenção hidráulica (HRT), mas maior tempo de retenção de lodo (SRT). Tais sistemas incluem, mas não estão limitados a, leito granular de lodo expandido anaeróbico de fluxo contínuo (sistemas UASB e EGSB), bem como reatores de filme fixo e modificações destes, todos os quais podem ser configurados como parte do presente sistema.

[00107] Alternativamente, a produção de metano por digestão anaeróbica pode ocorrer sob condições mesofílicas ou uma combinação de condições mesofílicas e termofílicas e/ou em reatores úmidos de baixa carga com alto teor total de sólidos de até cerca de 30% ou em fermentação seca com sólidos totais superiores a 30%.

[00108] A fermentação para a produção de álcool etílico também pode ocorrer em qualquer instalação de fermentação convencional e pode incluir degradação enzimática adicional do substrato e equilíbrio adicional com as fontes de açúcar disponíveis, se vantajoso.

[00109] O substrato sólido restante (S07) da unidade de separação trifásica é transferido para o estágio um (5100) de uma unidade de compostagem acelerada de alta produtividade, semicontínua, com três estágios (5000). No estágio um (5100), que serve como etapa de mistura e iniciação, o substrato é submetido diretamente à digestão termofílica, ignorando a fase mesofílica para acelerar o processo. Para conseguir isso, o substrato estéril da unidade de separação trifásica (2000) é continuamente misturado com o composto semente, que está no final do processo de iniciação, ou seja, no topo ou perto do topo do estágio termofílico. Além disso, o substrato da unidade de separação trifásica está tipicamente a uma temperatura na faixa de 40°C a 50°C nesta fase, ideal para a digestão termofílica também promovida sob essas condições pelo alto teor de carbono prontamente digerível provido pelo pré-processo de tratamento. A primeira fase, fase de iniciação, é mantida em mistura contínua, normalmente por um período de tempo de 2 horas a 6 horas antes de ser transferida para o estágio dois (5200) com adição simultânea de material volumoso, que ao mesmo tempo serve como fonte de carbono adicional.

[00110] No estágio de mistura e etapa de iniciação (5100), a fração do lodo removido a partir da digestão anaeróbica também pode ser misturada no substrato composto (S09). Também podem ser adicionadas fontes de carbono com alta biodisponibilidade, que não foram submetidas à digestão anaeróbica, para acelerar e equilibrar o processo de compostagem. Isso pode incluir, entre outros, glicerol (por exemplo, da produção de biodiesel) (S10), farinha, massa, frutas e outros tipos de descarte rico em carbono proveniente da indústria de alimentos e descarte sólido com alto teor de açúcar proveniente de outras fontes.

[00111] Quando o extrato de alta nutrição do processo de pré- tratamento é usado para a produção de etanol por fermentação, a sedimentação do processo de fermentação também pode ser adicionada à etapa de mistura da unidade de compostagem (S09).

[00112] Após a etapa de mistura e iniciação, o substrato composto está no ou perto do pico de seu estágio termofílico e é transferido para um segundo estágio sem agitação, mas com aeração e umidificação ativas (forçadas) (5200). Nesta segunda etapa, a fase termofílica é concluída ou quase concluída, preferivelmente em um período de tempo de 24 horas a 96 horas antes de o substrato ser transferido para a terceira etapa (S13), a fase de envelhecimento (U02).

[00113] O material volumoso é dosado e misturado no substrato na etapa de transferência a partir do estágio um ao estágio dois (5100 e 5200). Preferivelmente, os materiais volumosos são lascas de madeira com uma distribuição de tamanho na faixa de 10 mm a 50 mm adquiridas a partir da etapa de envelhecimento dos lotes anteriores (S14), lascas de madeira fresca ou envelhecida a partir de outra origem ou qualquer mistura destas.

[00114] A compensação pela perda de água através do ajuste da aeração e umidade no estágio dois (5200) do processo de compostagem pode, pelo menos em parte, ser alcançada através da adição de efluente da digestão anaeróbica (S15).

[00115] Na terceira etapa, etapa de envelhecimento (U02), o substrato é submetido ao amadurecimento conforme apropriado, tipicamente pelo período de três meses a um ano em pilhas ao ar livre ou outros arranjos adequados e apropriados.

[00116] Em outra modalidade preferencial, os componentes de resíduos com alto teor de gordura e óleo, incluindo, sem limitação, resíduos de matadouros, resíduos da indústria de alimentos e indústria pesqueira, resíduos da indústria de óleo vegetal e óleo de peixe, graxa e óleos de esgoto, são tratados separadamente em uma unidade de renderização descrita em mais detalhes abaixo, para isolamento da maior parte dos componentes de gordura e óleo, bem como para redução de volume através da remoção de água. O componente de gordura / óleo pode, nesta configuração, ser submetido diretamente à produção de biodiesel e o componente de água pode ser descarregado. Os substratos sólidos remanescentes após a separação de gordura / óleo e redução de água geralmente são componentes com alto teor de proteínas, especialmente aqueles resultantes de resíduos de matadouros, resíduos da indústria de alimentos e indústria pesqueira, mas também podem conter um componente apreciável de carboidrato, por exemplo, proveniente de resíduos da indústria de óleo vegetal e óleo de peixe, graxa e óleos de esgoto. Esses resíduos sólidos podem ser combinados com outros resíduos. As correntes combinadas são então sujeitas a explosão de vapor alcalino e hidrólise alcalina com extração simultânea de componentes nutricionais solúveis em água, bem como um subsequente ajuste de pH e tamponamento com lavagem de CO2 da produção de metano, conforme descrito acima e mostrado na Figura. 3. A fração de FFA, gordura e óleo é submetida à esterificação e transesterificação como descrito acima.

EXEMPLOS

[00117] Os parágrafos abaixo estabelecem modalidades específicas da presente invenção e não devem ser considerados como limitativos da mesma. O sistema geral constitui um sistema e uma técnica para a conversão em linha de todos os componentes orgânicos de resíduos municipais e comunitários em combustíveis adequados para fins de transporte e conversão de todas as frações sólidas restantes geradas no processo de compostagem.

[00118] O sistema, para o qual uma visão geral esquemática do diagrama de fluxo é mostrada na Figura 1b, é projetado para maximizar a sinergia entre componentes individuais além do estado da arte atual, minimizar o consumo de energia e a pegada de carbono, além de maximizar os benefícios ambientais e econômicos. Os componentes individuais do sistema foram projetados para aumentar a funcionalidade além do estado da arte atual, minimizar o consumo de energia e a pegada de carbono, e maximizar os benefícios ambientais e econômicos.

[00119] Nesta modalidade exemplificada, o sistema compreende: - um reator de explosão de vapor alcalino de fluxo contínuo e uma unidade integrada de lavagem de CO2 (1000); - uma unidade de condicionamento e separação (2000 ou 2500); - uma unidade de produção de metano, combinada alternativamente com, ou substituída por, uma unidade de produção de etanol (3000); - uma unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo, ajustável a qualquer composição de ácidos graxos e glicerídeos livres e com alta tolerância à água (4000), alternativamente substituída por outras configurações de fluxo contínuo ou sistemas de batelada convencionais; - uma unidade de compostagem quase contínua (5000).

[00120] Opcionalmente, o sistema também é provido com uma unidade compacta de renderização úmida para tratamento separado de resíduos de componentes com alto teor de gordura e óleo (6000).

[00121] Combinado, o sistema provê uma conversão completa de diferentes correntes de resíduos, incluindo resíduos orgânicos e combinações destes em combustíveis adequados para fins de transporte, e conversão de todos os resíduos sólidos dos processos em composto.

[00122] As correntes de materiais residuais adequados para conversão no processo incluem, mas não estão limitados a: resíduos domésticos, resíduos de matadouros, resíduos da indústria de alimentos, resíduos da indústria pesqueira, resíduos da indústria de óleo vegetal e da indústria de óleo de peixe, lodo de esgoto, graxa e óleos de esgoto, resíduos agrícolas, tais como palha de trigo ou outra palha, casca de arroz, resíduo de coalhada de soja e esterco de capim e estrume animal, bem como resíduos de jardim e resíduos de madeira.

[00123] Os produtos provenientes do processo podem ser combinações de metano, biodiesel e composto; etanol, biodiesel e composto; ou um desses combustíveis e compostos.

Unidade de explosão de vapor alcalino de fluxo contínuo e de lavagem de CO2

[00124] A unidade de explosão de vapor alcalino de fluxo contínuo e de lavagem de CO2 compreende uma seção de moagem e homogeneização (1100), uma seção de umedecimento e mistura (1200) também denominada seção de condicionamento (ou, especificamente, como seção de condicionamento de pré-tratamento), seção de aquecimento de retenção de alta pressão (1300) e uma seção de alívio de explosão e lavagem de CO2 (1400). A seção de alívio de explosão e lavagem de CO2 da unidade de explosão de vapor e lavagem de CO2 serve como a seção de alívio de pressão da seção de explosão de vapor e, ao mesmo tempo, como unidade de lavagem de CO2 da mistura de metano / CO2 proveniente da digestão anaeróbica (S01) ou alternativamente, CO2 proveniente do processo de fermentação (S01), bem como o CO2 proveniente do gás de combustão (S02) a partir da caldeira a vapor do sistema (U01).

[00125] A seção de umedecimento e mistura (1200) constitui preferivelmente um misturador de transporte de alimentação superior (1201) equipado com uma armação de umedecimento integral (1202), preferivelmente em uma configuração de pulverização de cima para baixo.

[00126] A corrente de resíduos compreendendo resíduos orgânicos a serem processados e que, preferivelmente, foi triturada na seção de moagem e homogeneização a montante mencionada, é alimentada na extremidade da seção de umedecimento e mistura (1203) e transportada sob mistura em direção ao seu ponto de saída (1204). Durante esta etapa, o substrato sólido é umedecido (1202) para atingir o teor de água desejado (S22) ideal para o processo de explosão de vapor e, ao mesmo tempo, o ajuste do pH é alcançado.

[00127] Para explosão de vapor alcalino integrado à lavagem de CO2, conforme descrito nesta modalidade preferencial, a solução aquosa é alcalina, preferivelmente através de solução de hidróxido de sódio ou potássio (S23) adicionada à água umectante em um misturador líquido / líquido (1205).

[00128] A unidade de explosão de vapor também pode atuar como uma unidade independente ou, em outras combinações, pode ser acionada com alimentação de pH neutro ou ácido, com alimentação sem pH ajustado ou com alimentação misturada com quaisquer outros aditivos adequados para promover os processos pretendidos.

[00129] A porta de saída da seção de umedecimento e mistura (1204) é conectada verticalmente à seção de explosão de vapor por meio de uma válvula dosadora rotativa (1206) e uma válvula de alta pressão rotativa (1301), que pode estar vantajosamente em uma configuração de deslocamento positivo.

[00130] No ponto de saída da unidade de umedecimento e mistura (1204), o substrato entra na válvula dosadora rotativa (1206), que dosa o substrato em um compartimento de pressão ambiente da válvula de alta pressão rotativa (1301). A válvula dosadora rotativa serve para evitar sobrecarga da válvula de alta pressão rotativa, o que causa pressão desnecessária na vedação de alta pressão. Após carregamento à pressão ambiente, a válvula de alta pressão gira para uma posição selada, onde é levada até a pressão desejada (preferivelmente na faixa de 1.000 kPa (10 bar) a 3.000 kPa (30 bar), geralmente cerca de 100 kPa (1 bar) acima da unidade de retenção de aquecimento) e com temperatura por injeção de vapor (normalmente de 180°C a 250°C) (1302). A válvula de alta pressão rotativa gira então mais para um posicionamento vertical acima da porta de entrada da unidade de retenção de aquecimento.

[00131] O vapor de alta pressão é provido por uma caldeira (U01, S18), acionada por combustíveis produzidos no processo geral. Pode ser metano puro ou qualquer mistura de metano / CO2 da unidade de digestão anaeróbica (S19), biodiesel (S20) ou qualquer mistura de gorduras, óleos ou ácidos graxos antes da esterificação ou transesterificação (S21).

[00132] Assistida pela pressão diferencial e gravitação, a câmara agora pressurizada é descarregada na seção de retenção de aquecimento (1300) da unidade de explosão de vapor antes de girar ainda mais para uma segunda posição selada onde a pressão é liberada (1303).

[00133] A tensão de pressão nas válvulas rotativas pode ser reduzida usando válvulas rotativas com mais compartimentos e aumentando gradualmente a pressão em compartimentos individuais no sistema de entrada, diminuindo a pressão diferencial entre elas.

[00134] Em uma configuração de deslocamento positivo aplicada em algumas modalidades, a pressurização e a despressurização são auxiliadas pela variação do volume da câmara respectiva através do ciclo rotativo.

[00135] Na seção de retenção de aquecimento de alta pressão (1300), o substrato carregado é transportado do ponto de carregamento até o ponto de saída por meio de um parafuso transportador de velocidade ajustável (1304), permitindo que o tempo de retenção seja continuamente ajustável em um amplo intervalo de tempo.

[00136] A unidade está equipada com orifícios de injeção de vapor (1305) para atingir a pressão e temperatura apropriadas, e para sua manutenção através de injeções de maquiagem. Dois desses pontos de injeção são mostrados como exemplos na Figura 2 (1305).

[00137] A porta de saída da seção de aquecimento e retenção de alta pressão está conectada verticalmente a uma válvula dosadora rotativa (1306) e a uma válvula de alívio de alta pressão rotativa (1307). No ponto de saída, o substrato é transportado pela válvula dosadora rotativa (1306) para um compartimento da válvula de alívio de alta pressão rotativa, que nesse momento está de frente para a porta de saída da seção de aquecimento e retenção de alta pressão.

[00138] A válvula rotativa (1307) gira então para abrir o compartimento pressurizado à pressão ambiente, permitindo a explosão de vapor, antes de girar para uma posição de repressurização, este compartimento está equipado com uma porta de injeção de vapor. A partir desta posição, o compartimento gira de volta para a posição de preenchimento.

[00139] Nesta configuração, a eficiência térmica é maximizada pela sincronização dinâmica da injeção de vapor na válvula rotativa de alimentação de alta pressão, na seção de retenção de aquecimento e na seção de repressurização da válvula de alívio rotativa de alta pressão, com todas as injeções sendo controladas individualmente. Isso é feito em resposta a variações de pressão e temperatura causadas no lado de alívio e de entrada e por perda de calor. A pressão e a temperatura são monitoradas continuamente ao longo da seção de aquecimento e retenção de alta pressão (1309), fornecendo dados individuais ao longo da seção (DS01). Esses dados são enviados à unidade de processamento P/T (1310), fornecendo um sinal de controle às portas de injeção de vapor (DS02). Elas são sincronizadas com esse sinal ao longo da seção de aquecimento e retenção de alta pressão para manter as condições próximas às condições constantes. Um sinal adicional (DS02) é fornecido para ajustar a velocidade do transportador rotativo (1304). Três pontos de monitoramento P/T são mostrados como exemplos na Figura 2 (1309).

[00140] Em algumas modalidades, pode ser vantajoso que a porta de extrusão da válvula rotativa de saída seja parcialmente obstruída com construções adequadas para utilizar a força mecânica na explosão de vapor para maior rugosidade / trituração mecânica da superfície do material de extrusão. Isto é exemplificado na Figura 2, através de um arranjo de dentes trituradores (1310) destinado a rugosidade superficial adicional de aparas de madeira.

[00141] Quando o dispositivo de explosão de vapor é operado sob condições alcalinas e constitui parte integrante de uma unidade de lavagem de CO2, a parte superior da unida de lavagem de CO2 (1400) está em uma configuração do tipo ciclone, projetada para promover a dispersão perpendicular em direção ao centro da unida de lavagem para o contato ideal do material alcalino com um contrafluxo do escape rico em CO2.

[00142] A câmara carregada da válvula de saída rotativa de alta pressão é descarregada sob um ângulo apropriado (1401) na parte superior da seção combinada de alívio e lavagem de CO2 (1400) direcionando o vapor / substrato de alta velocidade para baixo em uma configuração espiral de tipo ciclone (1402) com folga em relação às paredes internas do compartimento primário da unidade de lavagem. Uma configuração exemplificativa é mostrada na Figura 3. Através da alta velocidade do material de descarga, a fração mais pesada e o vapor condensado são forçados em direção à parede interna do confinador do ciclone / unidade de lavagem com um componente de velocidade descendente (1403) provido pelo ângulo inicial de entrada (1401). Essa fração é capturada por uma placa espiral ondulada abaixo e paralela à espiral de ciclone com folga na parede (1404).

[00143] A ondulação (1405), a inclinação descendente da placa espiral (1404) e a velocidade descendente do substrato / condensado (1403) direcionada parcialmente o mesmo ao longo da superfície da placa espiral inferior (1404a) em direção ao centro onde este é disperso por uma saliência direcionada para cima (1404b) terminando o lado interno da placa em espiral, aumentando assim o contato da suspensão alcalina com o contrafluxo de CO2 subindo através do lavador. O substrato / condensado dispersante (1406) cai no centro do confinador de purificador / ciclone, juntamente com a condensação de vapor na região central e no desmistificador (1407), para se acumular na região de assentamento (1408) do purificador / ciclone.

[00144] Alternativamente, a região de assentamento é equipada com uma espiral de resfriamento ou outros elementos de troca de calor para recuperar parcialmente o calor a partir da explosão de vapor, diminuindo assim a temperatura do substrato e pré-aquecendo a entrada de água para a caldeira de geração de vapor provida no sistema. Tais elementos de resfriamento também podem ser instalados ou estender-se à seção superior da unidade de lavagem e estão preferivelmente em contato com as guia espirais para efetuar um resfriamento rápido do substrato já na seção superior da unidade de lavagem.

[00145] A parte horizontal / angular do tubo de descarga (1401) é separada em relação à seção de vazio de gás abaixo da porta de exaustão de gás com uma malha de desmistificação (1407).

[00146] O escape contendo CO2 (S01 e S02) é alimentado a partir da parte inferior através de um dispensador de microbolhas (1409). Isto ocorre preferivelmente através de aspiradores (1409) em um arranjo lateral inclinado, impulsionado pela circulação da suspensão aquosa com baixo teor de sólidos retirada da parte superior da seção de suspensão. Nesse arranjo, os aspiradores servem ao mesmo tempo para agitação da suspensão líquida sólida, alcançando composição consistente na porta de saída da seção e evitando entupimento. Como alternativa, o escape contendo CO2 (S01 e S02) é alimentado através de uma instalação de microbolhas ou outra instalação de dispersão passiva (1409).

[00147] O escape contendo CO2 se projeta através da região de assentamento de substrato (1408) e está em contato adicional com a suspensão de adsorção alcalina na parte central superior da seção de condensação da unidade de lavagem antes de sair com a fração seca do vapor através de um condensador (1410) na porta de saída de gás do condensador (1411).

[00148] O vapor restante é removido no condensador (1410) com o gás de CO2 magro (CH4 ao lavar CO2/CH4) que sai da porta de saída de gás (1411) e o condensado que sai da porta de drenagem (1412). O calor da condensação é usado para pré-aquecer o aquoso alimentado para a unidade de umedecimento.

[00149] Alternativamente, a porta de saída de gás (1411) leva a uma unidade de lavagem secundária que pode ser operada com pressão elevada e temperatura mais baixa. A unidade de lavagem secundária é alimentada com a fração líquida preferivelmente resfriada da unidade de lavagem absorvedora primária em uma configuração convencional de pulverização a partir do topo e com a exaustão de CO2 magro do lavador primário a partir da parte inferior.

[00150] A seção de lavagem da unidade de pré-tratamento serve vantajosamente para remover o CO2 a partir da mistura bruta de CO2/CH4 produzida no processo de digestão anaeróbica ou o CO2 produzido no processo de fermentação e/ou remover o CO2 do gás de combustão da caldeira a vapor provida no sistema (U01).

[00151] A suspensão de líquido-sólido é periodicamente liberada como frações através de uma válvula de descarga na parte inferior da seção de alívio e lavagem de CO2 (1413). Essas frações são submetidas à unidade de condicionamento e separação (2000) e sua coleta é sincronizada com a descarga da unidade de explosão de vapor para obter condições de carga contínua no processo.

Unidade de separação trifásica

[00152] A unidade de separação trifásica (2000, Figuras 4 e 5) é composta por: i) seção de condicionamento fechada (2100), ii) seção de separação contínua de gordura / óleo (2200), iii) um separador de líquido / sólido (2300), e iv) um tanque tampão de gordura / óleo (2400) alimentando um purificador centrífugo (2450). Nesta modalidade preferencial, em que o sistema é apresentado como um todo, esta unidade serve para separar e clarificar o teor de gordura e óleo a partir dos resíduos orgânicos pré-tratados e para separar a fase aquosa e sólida restante.

[00153] A fração sólida preferivelmente mantém a umidade adequada para compostagem (na faixa de 40% a 70%) e a fase líquida contém suspensão sólida adequada para suportar a produção de metano anaeróbico (10% a 15%) ou, alternativamente, a produção de etanol por fermentação (3000).

[00154] As seções de condicionamento e separação de gordura / óleo (2100 e 2200) compreendem uma seção de condicionamento (2100) que é alimentada através de uma válvula rotativa ou outra válvula adequada na porta de descarga (1413) da seção de alívio de pressão e lavagem de CO2 da unidade de pré-tratamento (1400). A agitação contínua na seção de condicionamento é provida preferivelmente através de um misturador de transporte (2101), e o pH do substrato é ajustado através da injeção de ácido através de duas armações de pulverização (2102). As armações de pulverização servem para adição controlada de ácido e/ou soluções aquosas adicionais ao substrato transportado para ajuste de pH sob mistura ativa. Nesta modalidade preferencial, o ajuste do pH prossegue em dois estágios através das unidades de pulverização (2102) instaladas na parte superior da seção de condicionamento (2100). Ambas as armações de pulverização (2102) podem ser montadas perpendicularmente à direção de transporte a partir do topo da seção de condicionamento (2100). A primeira armação de pulverização é instalada no outro extremo logo após a porta de entrada. A segunda armação de pulverização é instalada cerca de 2/3 a jusante. Em operação, as leituras de pH (DS03) são alimentadas ao controle da armação de pulverização (2103) a partir da parte de sedimentos / condensação da seção de lavagem de CO2 (1414) da unidade de pré-tratamento (1400). Esta leitura controla a liberação da primeira armação (2102). Uma segunda leitura (2104, DS04) é entregue ao controle (2103) das armações de esterilização a cerca da metade do caminho a jusante da unidade de mistura e condicionamento. Esta leitura controla a segunda armação de pulverização.

[00155] A seção de condicionamento (2100) da unidade de separação descarrega continuamente em sua seção de separação de gordura / óleo (2200) através de uma válvula de descarga (2105), em um tubo cilíndrico central (2201). A saída do tubo cilíndrico central (2202) é mantida abaixo dos orifícios ou bicos de injeção de microbolhas (2203) na seção de separação de gordura / óleo da unidade de separação.

[00156] O nível da superfície na seção de separação de gordura / óleo é mantido através do controle ativo (2204, DS07) de sua descarga em resposta a uma leitura do nível de líquido (2205, DS06). Para promover a separação de gordura e óleo a partir da fração aquosa e sólida, microbolhas são injetadas na parte inferior da seção de separação de óleo / gordura, acima do tubo de alimentação central através das aberturas (2203). Em uma modalidade preferencial, as microbolhas são injetadas perpendicularmente ao tubo de alimentação em uma corrente saturada de água gerada por uma bomba centrífuga (2206), ou através de aspiradores, conforme mostrado na Figura 4 (2203). Água é provida a partir do purificador centrífugo (não mostrado) e/ou da seção aquosa superior do separador de gordura / óleo (2207). Isso provê convecção perpendicular ao aumento de microbolhas e à queda de sedimentos (2208). Quando vantajoso, a geração de microbolhas também pode ser alcançada por injeção de ar pressurizado através de armações perfuradas na parte inferior da seção de separação de gordura / óleo. O aumento de microbolhas promove a separação de gorduras e óleo a partir da suspensão aquosa / sólida por meio de flotação e assegura a convecção apropriada do material, e a convecção perpendicular adicional onde a injeção de água saturada com ar é aplicada (2208). Para restringir a convecção e a mistura na seção de gordura / óleo da unidade de separação de gordura / óleo, esta seção é preferivelmente separada da seção de suspensão aquosa com duas malhas (2209) colocadas verticalmente a cerca de 3/4 da altura da unidade de separação. As malhas são preferivelmente espaçadas em cerca de 50 mm e giradas a 45° em relação à sua linha de malha principal.

[00157] A gordura e o óleo acumulam-se continuamente na superfície (2210) e são drenados continuamente através de uma bomba de superfície ajustável e automatizada (2211) ou, alternativamente, através de uma bolsa de drenagem de excesso (2212). A fração de óleo / gordura removida é bombeada para um tanque tampão que alimenta o purificador centrífugo, onde água e resíduos sólidos restantes são eliminados. A fração de água limpa é devolvida ao injetor de microbolhas quando apropriado, ou provida à unidade de digestão ou fermentação anaeróbica. Isso pode prosseguir em qualquer lugar ao longo da linha de alimentação da unidade de separação de líquido / sólido ou diretamente onde for benéfico. A fração de gordura e óleo purificada é submetida à esterificação ou transesterificação conforme apropriado para a produção de biodiesel na unidade de biodiesel (4000). A descarga da suspensão aquosa e de substrato, a partir da seção de separação de gordura / óleo para a seção de separação de líquido / sólido da unidade de separação, é sincronizada com o nível da superfície com controle ativo da válvula de descarga (2213, DS07).

[00158] A seção de separação de sólido / líquido é, nesta modalidade, composta por um parafuso transportador de compressão (2301) com uma zona de compressão na seção superior (2302), conforme ilustrado na Figura 4c. O parafuso transportador é incorporado em um alojamento cilíndrico (2303), com a seção inferior de 20% a 60% compreendendo uma placa inferior perfurada (2304) que constitui a drenagem da suspensão líquida. A unidade de separação completa é inclinada de maneira ajustável para obter um desempenho ideal em relação à separação de sólido / líquido.

[00159] A seção perfurada do alojamento de parafuso transportador é permutável para manutenção, e é ajustável em tamanho, comprimento de perfuração e densidade para permitir o ajuste do tamanho das partículas e quantidade do componente sólido na suspensão aquosa.

[00160] A suspensão aquosa é drenada a partir do transportador ao longo de uma calha que confina a seção perfurada do alojamento do transportador (2305). Ela sai da seção de separação de líquido / sólido na extremidade inferior para se acumular em um tanque intermediário (2306) de onde é bombeada para a unidade de digestão ou fermentação, ou para armazenamento adicional conforme apropriado (2307). Um bico de água de lavagem é instalado na extremidade superior da calha para enxaguar e limpar conforme apropriado (2308). A fração sólida sai da extremidade superior do parafuso transportador (2309) de onde é transferida para a unidade de compostagem de três estágios (5000).

Unidade de separação alternativa, decantador centrífugo 2500

[00161] As Figuras 5a e 5b ilustram uma modalidade alternativa que foi desenvolvida para a presente invenção. Um abrigo de decantador (2501) (2502) e um abrigo de separação de discos cônicos (2503) são unidos e mantidos no lugar por rolamentos na nave de unidade (2506) e eixo do rolamento (2515). Os abrigos giram pelo menos cerca de 3800 rpm, rotacionados por uma unidade principal que possui uma unidade de correia de cunha (não mostrada). O parafuso transportador (2516) repousa sobre os rolamentos em um ponto central de rolamento para o parafuso transportador do decantador (2505) e o ponto central para o rolamento interno (2507). O parafuso transportador (2516) gira em menor velocidade que o abrigo e é acionado por um acionamento auxiliar com um acionamento por correia de cunha (não mostrado). Um tubo de entrada (2504) é estacionário e repousa sobre um cavalete de posicionamento na extremidade de entrada e sobre rolamentos de posicionamento dentro do decantador (não mostrado). O tubo de entrada é equipado com orifícios de saída (2509) para que o material entre no decantador através dos orifícios de saída (2517) no parafuso transportador (2516). Na outra extremidade, o tubo de entrada é unido a um impulsor de bomba estacionário (2511). O tubo de entrada e o impulsor estacionário repousam sobre rolamentos (não mostrados), que são fixados em uma placa para o anel de distribuição (2514). Um eixo interno (2519) é fixado ao disco de distribuição (2512) e os discos de separação (2513) estão localizados no eixo interno (2515). No topo dos discos de separação está o disco superior (2518). No centro do disco superior (2518) há um tubo de saída (2520) para a fase mais leve e, no final do abrigo de separação cônica (2503), há um tubo de saída (2521) para a fase pesada. A parte externa do tubo de saída para a fase pesada (2521) forma o ponto central de rolamento (2515) com suportes para o eixo interno (2522) e o tubo de saída (2523).

Reator de biodiesel de fluxo contínuo, Unidade 4000

[00162] O componente de gordura / óleo da unidade de separação de gordura / óleo é composto por uma fração substancial de ácidos graxos livres, tipicamente na faixa de 30% a 60%, sendo os demais mono-, di- e triglicerídeos resultantes da saponificação incompleta na etapa de pré- tratamento. Nos casos em que o componente de gordura / óleo é separado a partir de correntes de resíduos ricos em gordura na unidade de renderização compacta (6000) antes da explosão de vapor alcalino, a fração de FFA é tipicamente de 10% a 30%.

[00163] Em uma modalidade preferencial, o componente de gordura / óleo proveniente da purificação centrífuga é submetido a esterificação de FFAs de estágio único ou múltiplo e transesterificação de glicerídeos em um reator de fluxo modular (4100) projetado para ser adaptável a qualquer composição com teor comparativamente alto de FFA, glicerídeo e água. O reator de fluxo contínuo é explicitamente construído para permitir a conversão flexível, eficaz e econômica do estoque de alimentação de baixo grau de composição variável (variando de 0 a 1, no que tange a proporção de FFA e glicerídeos).

[00164] A unidade de biodiesel da presente invenção provê um sistema de reação de fluxo contínuo aplicável a: i) uma ampla gama de requisitos de produtividade e tempo de contato catalítico; ii) uma grande faixa de pressão e temperatura, e transferência de calor eficiente; iii) um alto grau de flexibilidade na composição e estrutura do catalisador; iv) um alto grau de flexibilidade na constelação, manutenção e regeneração de catalisador. O referido reator de fluxo contínuo é modular e composto por três componentes principais; i) placas de contato onduladas com um lado revestido com material catalítico (4110), ii) espaçadores com superfície interna catalítica e perturbadora de fluxo (4120) e iii) misturadores estáticos com superfícies catalíticas (4130).

[00165] O reator está equipado com um sistema de entrada construído para permitir a mistura eficaz dos reagentes antes ou durante a injeção no reator e, alternativamente, a adição de catalisadores homogêneos e de cosolventes, quando apropriado. Esses cosolventes são preferivelmente ésteres metílicos produzidos no processo e parcialmente recirculados, promovendo a formação de uma mistura reacional homogênea de metanol, glicerídeos e FFAs. Um exemplo da utilização do pré-misturador é mostrado na Figura 6a (4101). Neste exemplo, o ácido sulfúrico é pré-misturado com metanol como catalisador homogêneo ou para ativação de um catalisador de estado sólido. Isso serve ao mesmo tempo para coletar a energia de solvatação liberada nesse processo. Em outro pré-misturador, os ácidos graxos livres e glicerídeos são misturados com ésteres metílicos de ácidos graxos comparáveis que podem ser produzidos no processo, ou outro cosolvente. As respectivas misturas são então misturadas em um terceiro pré-misturador.

[00166] Em uma modalidade preferencial, o reator de biodiesel de fluxo contínuo, mostrado como completo na Figura 6a, é configurado para permitir a esterificação de FFAs e a transesterificação de glicerídeos em uma única etapa.

[00167] Na modalidade atual, a unidade de produção de biodiesel de fluxo contínuo compreende placas onduladas (4110) revestidas em um lado com um catalisador de estado sólido (4111) provendo uma superfície catalítica. Alternativamente, as placas de contato onduladas compreendem uma camada superficial de um lado com catalisadores imobilizados, preferivelmente enzimas, para conversão catalítica de ácidos graxos livres e/ou transesterificação de glicerídeos. As placas são preferivelmente empilhadas com duas superfícies revestidas alternadas voltadas uma para a outra e duas superfícies não revestidas voltadas uma para a outra. Qualquer outra sequência de empilhamento é opcional, se vantajosa. O espaçamento entre as placas é ajustável através de espaçadores (4120) com superfícies internas que interrompem o fluxo para melhorar o fluxo turbulento, e prover uma mistura eficiente à beira do regime de fluxo dos reatores. A distância entre as placas de contato catalíticas pode ser configurada como desejável pela escolha apropriada da largura do espaçador.

[00168] Preferivelmente, as superfícies internas dos espaçadores também são revestidas com o estado sólido ou catalisador enzimático apropriado (4121). Os espaçadores possuem juntas de vedação e limitam o espaço entre as placas de contato onduladas individuais. Nesta configuração, o espaço entre as superfícies não revestidas provê um canal para um meio de troca de calor, tal como vapor, óleo, água, líquido de refrigeração etc. O espaço entre as superfícies catalíticas provê a zona de reação do reator de fluxo contínuo (Figura 6b). Alternativamente, as placas misturadoras estáticas (4130) são instaladas entre a placa de contato catalítica com espaçadores que agora definem o espaço entre a placa misturadora estática e as placas de contato catalíticas que agrupas estas (Figura 6c).

[00169] Os misturadores estáticos são preferivelmente revestidos com o mesmo catalisador que as placas de contato (4131). Assim, esse misturador estático aumenta a extensão da superfície catalítica, permite um melhor controle do fluxo macroscópico através do reator, e provê misturas e trocas eficazes de material em todas as superfícies catalíticas. Para maior clareza, um exemplo não limitativo de uma seção transversal através de uma seção do misturador estático de uma célula de reação é mostrado na Figura 6d, juntamente com as linhas de fluxo de reagentes (4133).

[00170] Neste exemplo, o fluxo parcial é direcionado a partir do compartimento de entrada através de fendas angulares de contrafluxo terminadas com aletas de contrafluxo mais curtas no lado do compartimento de saída do misturador. O fluxo direto restrito para o compartimento de saída garante um arrasto do fluido líquido em direção à porta de saída da respectiva célula reacional (para baixo na Figura 6d) e garante uma mistura turbulenta na seção de saída da célula reacional.

[00171] Um arrasto de fluido líquido em direção à porta de saída adicional e um aumento da turbulência adicional podem ser alcançados por fendas de fluxo restritas adicionais direcionadas na direção principal de fluxo provida entre as fendas de contrafluxo. Um exemplo desta configuração é ilustrado na Figura 6d, o qual provê dois caminhos de fluxo restritos ao longo da direção principal do fluxo. Os respectivos espaços são conectados em série para permitir o fluxo contínuo através da zona de reação e da zona de troca de calor, respectivamente. Estes regimes de fluxo podem estar em paralelo ou em uma configuração de contrafluxo, dependendo do gradiente de calor desejável. As placas de contato alternadas, espaçadores e misturadores de placas estáticas são empilhados na ordem apropriada em trilhos laterais e compactados por placas finais rígidas em barras deslizantes independentes. O confinamento entre as placas terminais permite alta pressão de operação lateral, limitada apenas pelas especificações das placas terminais.

[00172] Para aplicações de alta pressão (ou ultra-alta), excedendo a tolerância transversal das juntas, o reator de biodiesel de fluxo contínuo é encapsulado em um equalizador de pressão diferencial. O equalizador de pressão diferencial abrange um invólucro selado de alta pressão (4102) e serve principalmente para reduzir a tensão de pressão transversal nas juntas do reator. As portas de entrada e de saída do reator (reagentes e fluidos térmicos) se estendem para fora do invólucro através de uma vedação tubular de alta pressão (4103) ou outra vedação de alta pressão.

[00173] A alimentação do reagente é fornecida com uma bomba de líquido de alta pressão (4104a), preferivelmente acionada com ar, colocada após o pré-misturador estático (4140) e a pressão é controlada através de um regulador de contrapressão na porta de saída do caminho de conversão dos reagentes (4105a). Da mesma forma, o líquido térmico é fornecido com uma bomba de líquido de alta pressão (4104b), preferivelmente acionada com ar, e a pressão é controlada através de um regulador de contrapressão na porta de saída do caminho do meio térmico (4105b). A pressão acumulada na seção térmica e na seção de conversão durante a inicialização, sua manutenção e sua redução quando a operação é interrompida, são ativamente sincronizadas com as leituras dos dois reguladores de contrapressão (4105a e 4105b) sendo alimentadas a uma unidade de controle (DS08 e DS09 a 4106) sincronizando as bombas de alta pressão para o meio térmico e a alimentação do reagente (DS12a e DS12b aos 4104a e 4104b).

[00174] Em operação dentro do equalizador de pressão diferencial, o invólucro é mantido a uma pressão comparável ou ligeiramente menor que a pressão de operação do reator. Preferivelmente, a pressão do reagente, a pressão do meio térmico e a pressão do invólucro são alcançadas e mantidas com bombas de líquido de alta pressão (ou ultra-alta) acionadas com ar (4104a, 4104b e 4104c). Os líquidos de pressurização são preferivelmente ésteres metílicos de ácidos graxos produzidos no processo ou com comprimento de cadeia comparável ao do biodiesel produzido, mas também podem ser outros meios, preferivelmente inertes e de baixa compressibilidade.

[00175] Alternativamente, a seção de aquecimento pode ser dividida em duas ou mais zonas de aquecimento, onde zonas separadas podem ser aquecidas com diferentes meios, por exemplo, óleo e vapor. Essa separação também pode servir para minimizar o gradiente de calor através de injeção paralela, por exemplo, o mesmo meio de aquecimento em diferentes zonas do sistema do reator. Da mesma forma, a zona de reação pode ser empilhada para prover seções diferentes com condições de reação distintas. Para a produção de biodiesel, estas podem, por exemplo, constituir uma primeira seção em que as superfícies catalíticas são principalmente adaptadas para a esterificação de FFA e uma segunda seção em que as superfícies catalíticas são principalmente adaptadas para a transesterificação da fração de glicerídeos da alimentação. Estes podem, por exemplo, ser catalisadores de estado sólido ácido e básico, respectivamente, ou diferentes catalisadores enzimáticos. Em casos vantajosos, essas seções podem ainda ser separadas por seções de troca iônica ou seções de desidratação, onde o material de desidratação ou troca iônica é imobilizado nas superfícies das respectivas placas empilháveis e pode ser regenerado através de tratamento térmico ou químico sem desmontar o reator. Isto pode ter uma vantagem particular quando a atividade das superfícies catalíticas é aumentada por injeção paralela de um catalisador ou meio homogêneo para manter a atividade da superfície catalítica. Um exemplo em que esses meios podem ser vantajosos é o uso de óxido de zircônio sulfatado ou outros óxidos metálicos sulfatados. Aqui, um ácido sulfúrico co-injetado pode, ao mesmo tempo, servir como um catalisador homogêneo e servir para manter a atividade da superfície catalítica. Situação semelhante pode ser aplicada com relação à co-injeção de hidróxidos alcalinos ou outros meios básicos onde superfícies catalíticas básicas são aplicadas.

[00176] Alternativamente, o reator pode ser dividido em seções onde é vantajoso executar a esterificação de FFAs e a transesterificação da fração de glicerídeos de forma separada. Em tais configurações, uma ou ambas as seções podem ser executadas com catalisadores homogêneos com purificação / condicionamento adequados como etapas intermediárias. Estas podem incluir, mas não estão limitadas a, evaporação instantânea, desidratação ou troca iônica.

Unidade de compostagem semicontínua (5000)

[00177] A unidade de compostagem semicontínua (5000) compreende um processo de compostagem acelerada em três estágios, na qual a primeira etapa constitui uma etapa de iniciação acelerada (5100) tolerante à baixa relação C:N através do conteúdo de carbono de alta digestibilidade e contornando a fase mesofílica através de alta temperatura inicial do substrato, alta taxa de semeadura, alta digestibilidade da fração de carbono e mistura e aeração eficazes. A segunda etapa é uma etapa de incubação (5200) com alta relação C:N, teor típico de carbono de menor digestibilidade que, ao mesmo tempo, serve como material de enchimento. A terceira etapa é o processo de envelhecimento, que normalmente ocorre em pilhas convencionais.

[00178] A seção de iniciação (5100) consiste em um misturador de transporte (5101), separado em dois compartimentos paralelos (5102) com direções de transporte opostas acionadas por motores individuais (5104a e 5104b). O primeiro compartimento do misturador está equipado com uma porta de alimentação com carga superior (5105), definindo a entrada da seção de iniciação. A seção de iniciação / de mistura é alimentada através de um silo de pré-mistura (5106) alimentado continuamente com o substrato sólido da unidade de separação trifásica por meio de um parafuso transportador (5107a) e através de um segundo parafuso transportador (5107b) em que o material de marcação rico em carbono altamente acessível pode ser adicionado, tal como, por exemplo, glicerol proveniente da produção de biodiesel, resíduos provenientes da indústria de panificação ou de frutas ou similares. Esse material também pode servir para aumentar a porosidade do substrato ou ajustar as propriedades do composto que está sendo produzido. Exemplos desse material incluem a terra branqueadora, potássio proveniente da produção convencional de biodiesel ou qualquer outro resíduo orgânico adequado que não seja submetido ao processo de pré-tratamento e separação aqui descrito acima. O segundo compartimento do misturador está equipado com uma porta de descarga na extremidade (5108), ou seja, a saída do misturador. A porta de descarga fica na parte inferior da extremidade da segunda seção de mistura. Ambos os compartimentos estão equipados com eixos acionados de forma separada, proporcionando pás com lâminas inclinadas terminadas com baixa folga (5109).

[00179] Os eixos das pás são mostrados aqui, providos com pás de ancoragem perpendiculares, isto é, paralelas ao eixo de acionamento (5110). Os dois compartimentos são em forma de U (5111) com folga comparativamente baixa das pás e são separados por uma placa de separação (5112), exceto quando a extremidade do primeiro compartimento encontrar o início do segundo compartimento. Neste ponto, o substrato é transportado do primeiro compartimento para o segundo compartimento por meio de pás com lâminas no final do primeiro compartimento. A seção final do segundo compartimento é terminada por pás com lâminas, e nesta seção a placa de separação é ajustável em altura, e tipicamente possui de 1/2 a 2/3 da altura da placa de separação central. Assim, dentro da seção de descarga, que é tipicamente cerca de 1/8 do seu comprimento total, uma fração do substrato é transferida a partir do segundo compartimento, acima da placa de separação, de volta ao primeiro compartimento. Essa fração serve como material de semeadura, enquanto o restante é transferido para a seção de incubação da unidade de compostagem. A proporção do material que é transferido para a semeadura do substrato fresco, e que é transferido para a seção de incubação, pode ser ajustada através de ajuste da altura da placa de separação conforme apropriado. Alternativamente, a porta de saída pode ser fechada e as placas de separação podem ser removidas para produção em batelada com tempo de mistura prolongado. Nesta configuração, a porta de descarga é aberta para esvaziar o misturador entre lotes. Na produção em batelada, o misturador é esvaziado apenas na medida em que forneça sementes suficientes para o próximo lote. Em qualquer configuração, a porta de descarga do misturador é conectada diretamente a um parafuso transportador (5115) colocado abaixo da porta de descarga (5108).

[00180] O parafuso transportador (5115) serve para transportar o substrato a partir da seção de iniciação para a seção de incubação da unidade de compostagem, mas ao mesmo tempo serve como uma unidade de mistura para o material volumoso adicionado antes da fase de incubação.

[00181] Isso é conseguido com um aumento de 50% no diâmetro do parafuso transportador no caminho a partir do misturador para a seção / recipiente de incubação.

[00182] Uma porta com carga superior para a adição de material volumoso (5116) é normalmente alimentada através de um parafuso transportador (5117) através de um silo de alimentação (5118), cerca de 0,5 m a 1,0 m a jusante do aumento de diâmetro do parafuso transportador. O parafuso transportador se conecta a uma armação de descarga (5201), no topo da seção de incubação (5200), a partir da qual a descarga pode ser alcançada em pontos distintos ao longo da seção de incubação (5202) através de escotilhas inferiores removíveis. A seção de incubação pode ser adequadamente disposta em um contêiner de transporte de 20 ou 40 pés com pulverizadores de umidificação providos na seção superior (5203) e com aeração forçada com ar pressurizado provido na seção inferior (5204).

[00183] Nos casos em que resíduos de matadouros são providos no processo, e separados em componentes de gordura e proteína com baixo teor de água, pode-se esperar que a fração proteica tivesse uma proporção C:N de 2 a 4. Os resíduos alimentícios, os quais constituem a maior parte da fração orgânica de resíduos domésticos, estão tipicamente na faixa de 8 a 10. Nesta modalidade preferencial, na qual o sistema é apresentado como um todo, a fração orgânica a ser submetida ao composto passou pela unidade de separação e explosão de vapor, proporcionando assim a esterilização de material potencial patogênico e maior digestibilidade do material celulósico rico em carbono, por exemplo, papel e fraldas, os quais podem constituir uma fração apreciável de resíduos domésticos. A esterilização por aquecimento na unidade de explosão de vapor pode ter uma vantagem especial no caso de resíduos de matadouros, quando exigido por regulamentos, caso contrário, restringe o uso do composto produzido. Esse também é o caso do lixo doméstico, especialmente quando esse resíduo contém uma fração considerável de fraldas usadas, como é o caso da maioria das áreas urbanas. O material de compostagem assim obtido pode ser balanceado com resíduos de jardim e glicerol (por exemplo, a partir da produção de biodiesel), farinha, massa, frutas e outros tipos de descarte rico em carbono provenientes da indústria de alimentos, descartes sólidos com alto teor de açúcar provenientes de outras fontes. A proporção C:N na etapa de iniciação pode ser equilibrada para alcançar uma proporção preferivelmente na faixa de 15 a 20, mas também pode ser acionada na faixa de 10 a 15.

Unidade opcional de renderização úmida (6000)

[00184] Conforme mencionado acima, para correntes de resíduos ricas em gorduras e/ou óleos, tais como resíduos de matadouros ou resíduos da indústria de óleo vegetal e óleo de peixe, o sistema e o processo podem incluir uma unidade de renderização opcional, a qual faz parte da presente invenção. Um exemplo de uma configuração de tal unidade da invenção é ilustrado na Figura 8, a unidade inclui nesta modalidade uma seção de recepção (6100) a partir da qual o material é alimentado através de um triturador (6200) e depois para um aquecedor para elevar a temperatura da corrente. A corrente aquecida é alimentada a um tanque de fusão (6400) no qual o substrato se desintegra ainda mais e as proteínas coagulam. O substrato é mantido a uma temperatura na faixa de 80°C a 100°C, preferivelmente em uma faixa de cerca de 90°C a 95°C, normalmente por um período na faixa de 30 minutos a 60 minutos, o tempo real pode depender da composição do material processado. Após o aquecimento / fusão, o substrato é transferido para um decantador (6500), no qual uma fase oleosa / gordurosa é separada da pasta aquosa, a pasta aquosa é então adicionalmente separada por centrifugação na centrífuga (6600), a partir da qual é obtida uma fração com material sólido, preferivelmente pelo menos 30% a 40% ou mais de matéria seca, essa fração pode ser direcionada para a unidade de pré-tratamento para tratamento com explosão de vapor. A fase aquosa oriunda da renderização possui preferivelmente um teor de sólidos suficientemente baixo, de modo que pode ser descartada no esgoto ou sistema no tratamento de água, dependendo dos requisitos locais.

BALANÇO ENERGÉTICO E MATERIAL

[00185] O exemplo a seguir provê cálculos de balanço energético e massa para o sistema como um todo, com o objetivo de estabelecer sua autossuficiência energética. Os cálculos são exemplificativos, aplicados à produção de metano e biodiesel e baseiam-se em um conjunto de premissas detalhadas abaixo. Para simplificação, nem a perda de calor nem a recuperação de calor são consideradas no ciclo de energia térmica do sistema, mas a eficiência de conversão de combustível em eletricidade é fixada em 80%, incluindo a recuperação de calor nesse processo. O conjunto de premissas pode ser redefinido como sendo razoavelmente aplicável ao sistema, permitindo que o técnico verifique a autossuficiência do sistema sob diferentes condições de operação:

Material e composição:

[00186] Os cálculos são baseados em uma taxa de fluxo de 10.000 Kg/h ou 2,78 Kg/s.

[00187] Uma corrente de resíduos média recebida possui a seguinte composição básica: água: 60%; gorduras e/ou óleos: 15%, matéria seca: 25%.

Eficiência de conversão de material:

[00188] - Fração de sólido convertido em metano: 20%; - Fração de gorduras e/ou óleos convertidos em biodiesel: 80%;

Calor específico e calor de evaporação:

[00189] - Calor específico da água: 4,2 kJ/Kg°C; - Calor específico da matéria seca: 2,1 kJ/Kg°C; - Calor específico de gorduras / óleos: 2,0 kJ/Kg°C; - Calor específico médio ponderado: 3,3 kJ/Kg°C; - Calor de evaporação do biodiesel: 360 kJ/Kg°C.

Calor de combustão:

[00190] - Calor de combustão de metano: 55,7 mJ/Kg; - Calor de combustão de biodiesel 40 mJ/kg.

Entrada de energia principal - Térmica:

[00191] - Aquecimento do material de 0°C a 212°C para explosão de vapor; 3,3 (kJ/Kg°C) * 10.000 (Kg/h) * 212 (°C) = 7.000 mJ; - Reaquecimento do material de 40°C a 95°C após explosão de vapor, mas antes da separação trifásica: 3,3 (kJ/Kg°C) * 10.000 (Kg/h) * 50 (°C) = 1.650 mJ; - Aquecimento do material de 0°C a 60°C para conversão de gorduras / óleos em biodiesel; 2,0 (kJ/Kg°C) * 0,15 * 10.000 (Kg/h) * 60 (°C) = 180 mJ; - Aquecimento de biodiesel de 0°C a 180°C para destilação; 2,0 (kJ/Kg°C) * 0,15 * 10.000 (Kg/h) * 180 (°C) = 540 mJ; - Calor por evaporação do biodiesel 360 (kJ/Kg°C) * 0,15 * 10.000 (Kg/h) = 570 mJ.

Consumo total de energia térmica sem recuperação de calor: 7.000 + 1.650 + 180 + 540 + 570 = 9.940 mJ/h. Entrada de energia principal - Elétrica:

[00192] A entrada elétrica é estimada em 800 mJ/h, representando aproximadamente 8% da entrada de energia térmica. A eficiência de conversão é definida genericamente como 80% independente do combustível usado para a produção de eletricidade, pressupondo uma recuperação de calor eficiente do gerador elétrico para aquecer a água da caldeira a vapor.

Entrada total de energia elétrica com recuperação de calor 100 * 800/80 = 1000 mJ/h.

[00193] Entrada total de energia no sistema = 11.000 mJ/h.

Produção de combustível:

[00194] - Produção de metano; 10.000 Kg/h * 0,25 * 0,2 = 500 Kg/h; - Produção de biodiesel; 10.000 Kg/h * 0,15 * 0,8 = 1.200 Kg/h.

Calor de combustão

[00195] - Calor total da combustão de metano; 500 Kg/h * 55,7 mJ/kg = 27.800 mJ/h; - Calor total da combustão de biodiesel; 1.200 Kg/h * 40 mJ/Kg = 48.000 mJ/h; - Consumo total de energia no sistema: 11.000 mJ/h; - Calor total disponível de combustíveis de combustão produzidos no sistema: 75.800 mJ/h.

[00196] O balanço energético líquido total do sistema pode ser expresso como a diferença entre a energia total inserida no sistema e o calor total de combustão dos combustíveis produzidos no processo. No exemplo atual, o balanço energético líquido do sistema é: 75.800 mJ/h - 11.000 mJ/h = 64.800 mJ/h.

Claims

1. Sistema para conversão de resíduos, caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos uma unidade de pré-tratamento (1000) para receber uma corrente de resíduos, em que pelo menos uma porção da corrente é resíduo orgânico, a unidade de pré-tratamento compreendendo pelo menos um reator de explosão de vapor de fluxo contínuo (1200, 1300); pelo menos uma unidade de separação (2000), para receber uma corrente de resíduos pré-tratados proveniente da unidade de pré-tratamento, a unidade de separação compreendendo pelo menos uma seção de condicionamento (2100) e pelo menos uma seção de separação (2200) para a separação de resíduos condicionados em pelo menos um componente gorduroso/oleoso e pelo menos um componente aquoso; pelo menos uma unidade de produção de biodiesel (4000) para a geração de biodiesel a partir de pelo menos um componente gorduroso/oleoso; pelo menos uma unidade de digestão (3000) para digestão anaeróbica e/ou fermentação do pelo menos um componente aquoso; e pelo menos uma unidade de compostagem (5000) para a geração de composto a partir de material orgânico sólido.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de explosão de vapor compreende uma seção de retenção de alta pressão (1300) e uma seção de alívio de pressão (1400), e em que a seção de retenção de alta pressão compreende pelo menos um transportador de velocidade ajustável (1304) para transportar a corrente de resíduos através da seção.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma válvula de alimentação rotacional (1301) na entrada da seção de retenção de alta pressão (1300) para alimentação da corrente para a seção, e que compreende uma válvula de descarga rotacional (1306) para descarga de material proveniente da seção de retenção de alta pressão, e compreendendo adicionalmente um primeiro meio de injeção de vapor (1302) para injetar vapor em um compartimento de carga da válvula de alimentação rotacional (1301), antes de sua rotação para uma posição de descarga, e um segundo meio de injeção de vapor para injetar vapor em um compartimento de descarga da válvula de descarga rotacional após sua descarga na seção de alívio de pressão, antes de sua rotação de volta à sua posição de carregamento.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o reator de explosão de vapor de fluxo contínuo e compreende uma seção de retenção de alta pressão (1300) e uma seção de alívio de pressão (1400), e em que a seção de alívio de pressão do reator de explosão de vapor serve, ao mesmo tempo, como uma unidade de lavagem de dióxido de carbono, em que a unidade de lavagem de dióxido de carbono adicionalmente compreende pelo menos uma entrada de dióxido de carbono (1409) provida dentro de uma parte menor da unidade de lavagem, em que a corrente alcalina de material proveniente da seção de retenção de alta pressão encontra a corrente rica em dióxido de carbono para facilitar a lavagem de dióxido de carbono, em que o sistema preferencialmente compreende meios para direcionar o dióxido de carbono que é gerado dentro do sistema para a unidade de lavagem de dióxido de carbono.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de separação compreende uma seção de condicionamento (2100), uma seção de separação contínua de óleo/gordura (2200), um separador líquido/sólido (2300), e um purificador centrífugo (2450).

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a unidade de separação compreende uma unidade de decantador centrífugo (2500) como um instrumento compreendendo um parafuso transportador decantador (2516) e um disco centrifugador (2513).

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a unidade de produção de biodiesel (4000) é um reator de fluxo contínuo (4100), adaptado para receber um fluxo contínuo do componente gorduroso/oleoso e, desse modo, gerar um fluxo contínuo de biodiesel, em que a unidade de biodiesel preferencialmente acomoda como entrada, um ou ambos dos triglicerídeos e ácidos graxos livres e compreende pelo menos um catalisador que catalisa a transesterificação de glicerídeos e pelo menos um catalisador que catalisa a esterificação de ácidos graxos livres.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a unidade de digestão (3000) compreende pelo menos uma primeira unidade configurada para produção de metano e pelo menos uma segunda unidade para produção de etanol, ou pelo menos uma unidade que é configurada para que possa acomodar a produção de metano ou etanol, dependendo da escolha de um usuário e do material de corrente de resíduos disponível.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a unidade de compostagem (5000) compreende uma seção de iniciação (5100) para mistura e iniciação, uma seção de incubação (5200) e uma seção de envelhecimento, em que a seção de iniciação preferencialmente compreende pelo menos dois compartimentos paralelos (5102), cada um compreendendo um misturador de transporte (5101) que agita o material no respectivo compartimento, e que pelo menos transporta parcialmente o material para o outro compartimento.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o sistema é autossuficiente em energia, de modo que o sistema, durante a operação, não exija fontes externas de energia.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende uma unidade de renderização (6000) a montante da unidade de pré-tratamento, em que a unidade de renderização é configurada para separar da corrente de resíduo recebida, pelo menos uma porção de um componente de gordura/óleo do resíduo, e direcionar a porção separada de componente de gordura/óleo para a unidade de biodiesel sem passar pela unidade de pré-tratamento.

12. Processo para tratamento e conversão de resíduos, caracterizado pelo fato de que compreende: receber uma corrente de resíduos que compreende pelo menos uma porção que é resíduo orgânico; introduzir a corrente de resíduos ou pelo menos uma porção da corrente em uma seção de umedecimento e mistura (1200), e umedecimento e mistura dos resíduos; transferir a corrente proveniente da seção de umedecimento e mistura para um reator de explosão de vapor de fluxo contínuo (1300) e submetê-la ao tratamento de explosão de vapor; direcionar uma corrente de resíduos tratados no reator de explosão de vapor para uma unidade de separação (2000), e separar a corrente de resíduos pré-tratados em pelo menos um componente compreendendo gordura e/ou óleo, um componente compreendendo pasta fluida aquosa de matéria orgânica, e um componente compreendendo material orgânico sólido umidificado; introduzir o componente de gordura e/ou óleo em uma unidade de produção de biodiesel (4000), e gerar biodiesel a partir do componente de gordura/óleo; introduzir o componente compreendendo pasta fluida aquosa em uma unidade de digestão e/ou fermentação (3000), e digestão e/ou fermentação do componente através de digestão anaeróbica e/ou fermentação; introduzir o componente compreendendo material sólido umidificado em uma unidade de compostagem (5000).

13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a corrente de resíduos é submetida ao tratamento de explosão de vapor em uma seção de retenção de alta pressão (1300) a uma pressão na faixa de 1000 kPa (10 bar) a 4000 kPa (40 bar) e preferencialmente a uma temperatura na faixa de 180 °C a 250 °C, a partir da qual a corrente de material é transferida para uma seção de alívio de pressão através de uma rápida liberação de pressão.

14. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a corrente de resíduos é misturada com solução aquosa alcalina na seção de umedecimento e mistura em que a corrente de resíduos é submetida ao tratamento de explosão de vapor em uma seção de retenção de alta pressão (1300), a partir da qual a corrente de material é transferida para uma seção de alívio de pressão através de uma rápida liberação de pressão, e a corrente é usada como meio de lavagem para a remoção de dióxido de carbono oriundo da corrente de metano rico em dióxido de carbono, proveniente da digestão anaeróbica e/ou fermentação, e/ou de outras correntes de gás rico em dióxido de carbono emergentes do processo.

15. Processo para tratamento e conversão de resíduos, caracterizado pelo fato de que compreende: receber uma corrente de resíduos que compreende pelo menos uma porção que é resíduo orgânico; introduzir a corrente de resíduos ou pelo menos uma porção da corrente em uma unidade de renderização (6000); submeter a corrente na unidade de renderização ao aquecimento a uma faixa de temperatura de cerca de 80 °C a 100 °C, e preferivelmente na faixa de cerca de 90 °C a 95 °C; separar o material que foi aquecido em uma fração de gordura/lipídica, uma fração que compreende materiais sólidos, e solução aquosa de escoamento; transferir a fração compreendendo material sólido para um reator de explosão de vapor de fluxo contínuo (1200, 1300), submetendo-a ao tratamento de explosão de vapor; opcionalmente, transferir uma corrente de resíduos tratados no reator de explosão de vapor para uma unidade de separação (2000), e separar a corrente de resíduos tratados com explosão de vapor em pelo menos um componente compreendendo gordura e/ou óleo, um componente compreendendo pasta fluida aquosa de matéria orgânica e um componente compreendendo material orgânico sólido; introduzir o componente de gordura e/ou óleo proveniente da unidade de renderização (6000) e, opcionalmente, um componente de gordura e/ou óleo proveniente da unidade de separação (2000), em uma unidade de produção de biodiesel (4000) e gerar biodiesel a partir do componente de gordura/óleo; introduzir a pasta fluida aquosa em uma unidade de digestão e/ou fermentação (3000) e digerir e/ou fermentar o componente em metano e/ou etanol, respectivamente; introduzir o componente compreendendo material sólido úmido em uma unidade de compostagem (5000).

16. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato de que a etapa de separação compreende alimentar a corrente de resíduos pré-tratados para uma unidade de decantador centrífugo (2500), compreendendo alimentar a corrente através de uma entrada axial central (2504) para um parafuso transportador (2516) em um abrigo de decantador rotacional (2501, 2502), transportando sólidos com o parafuso transportador em direção de saída de sólidos, forçando o líquido através de um impulsor (2511) para um abrigo separador de discos (2503) que se junta a um disco centrifugador (2513), girando o disco centrifugador e o abrigo separador de discos para assim separar uma fase aquosa líquida pesada e uma fase gordurosa líquida leve e/ou oleosa, direcionando cada fase para uma saída respectiva (2520, 2521).

17. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 16, caracterizado pelo fato de que a etapa de introdução do componente compreendendo material sólido úmido, em uma unidade de compostagem (5000) que compreende alimentar o componente a uma temperatura na faixa de 40 °C a 50 °C em uma seção de iniciação (5100) da unidade para acelerar o processo, submetendo o substrato diretamente à digestão termofílica e sem passar pela compostagem do estágio mesofílico, adicionando composto de alimentação proveniente do composto a jusante, em que o composto de alimentação está no pico da sua fase termofílica e compreendendo a transferência de material proveniente da seção de iniciação para uma segunda seção de incubação (5200) com adição de material volumoso, tal como lascas de madeira, arejando o material na seção de incubação com aeração forçada e umidificando o material, incubando o material na seção de incubação por um período de tempo na faixa de cerca de 24 horas a 96 horas.