BRPI0611207A2 - mÉtodo e instalaÇço para preparaÇço de uma mistura de etanol/Água - Google Patents
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Abstract
A presente invenção se refere a um método e instalação para preparação de uma mistura de etanol/água, no qual matérias-primas fermentáveis (1), selecionadas de açúcares e matérias-primas capazes de serem hidrolisadas em açúcares fermentáveis e as necessárias substâncias auxiliares (2, 3) são alimentadas a um reator (4); as matérias-primas são fermentadas no reator (4) e a mistura de etanol/água é separada da solução de fermentação em um evaporador (13) e a matéria não-fermentada (6) é removida do reator. De acordo com a invenção, a solução de fermentação proveniente do reator (4) é alimentada continuamente em um primeiro evaporador do tipo queda de película (13) durante a fermentação; a mistura de etanol/água é evaporada no primeiro evaporador do tipo queda de película (13), a matéria evaporada (14) obtida do evaporador (13) é condensada e a mistura de etanol/água condensada é concentrada em um segundo evaporador do tipo queda de película (18); e a matéria não-volátil (15) é removida do primeiro evaporador do tipo queda de película (13) e reciclada para o reator (4).
Description
"MÉTODO E INSTALAÇÃO PARA PREPARAÇÃO DE UMAMISTURA DE ETANOL/ÁGUA".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um método parapreparação de uma mistura de etanol/água, conforme definidono preâmbulo da reivindicação 1, em cujo método açúcaresfermentáveis ou matérias-primas capazes de seremhidrolisadas em açúcares fermentáveis são fermentadas emetanol e a mistura etanol/água assim formada é concentrada.
A invenção se refere ainda a uma instalação, conformedefinido no preâmbulo da reivindicação 11, assim como aouso da dita mistura, conforme definido no preâmbulo dareivindicação 16.
Antecedentes da Invenção
Nas sociedades modernas, métodos cada vez maiseficientes são requeridos para o tratamento de resíduos eáguas residuais, em operações que produzem resíduos e águasresiduais. As águas residuais e resíduos produzidos pelaindústria e comunidades, os quais contêm diversos açúcaresfermentáveis ou compostos capazes de serem convertidos emaçúcares fermentáveis, podem ser tratados mediantefermentação dos mesmos em etanol, o que reduz as cargas deBOD e COD contidas nas águas residuais da indústria ecomunidades e reduz a quantidade de carboidratos nosresíduos. 0 etanol preparado a partir de resíduos e águasresiduais pode ser refinado, proporcionando diversos usos.O problema é que o resíduo e os fluxos menores adequadospara preparação do etanol, normalmente, são dispersos, peloque o transporte e os custos associados ao transporte criamum obstáculo para operações econômicas. Além disso, foiestimado que é bastante dispendioso se investir emprocessos conhecidos para preparação de etanol, a partir depequenos fluxos dispersos com um regime de produção de 200-2.000 toneladas de etanol/ano.
Os processos conhecidos de preparação de etanolaplicados industrialmente, que se baseiam na fermentação,são relativamente de grande capacidade, cerca de 10.000-150.000 toneladas de etanol/ano. Uma parte das instalaçõesé baseada em processos de fermentação em bateladas e umaparte crescente de instalações em processos de fermentaçãocontínua. O etanol fermentado pode ser destilado paraproporcionar, por exemplo, mistura de etanol/água, de 95%em peso ou uma mistura mais fina, usando um dispositivo dedestilação. Uma instalação de destilação normalmentecompreende a etapa de extração, a qual é usada para separara pasta da mistura etanol/água. A destilação é normalmenterealizada em um estágio de batelada ou em múltiplosestágios de batelada ou é realizada na forma de destilaçãocontínua. O destilado evaporado pode ser liqüefeito usandocondensadores.
Nas grandes instalações do tipo descrito acima, aproteína, açúcar e levedura não-fermentadas contendomatéria sólida, assim como, a pasta ou xarope isento deetanol após a extração, podem ser separados e usados comoforragem animal. Nas atuais instalações industriais deprodução de bioetanol, é formado dióxido de carbono comoresultado da fermentação, o qual pode ser separado da fasegasosa ao ser circulado para fora do dispositivofermentador usando, por exemplo, um medidor de gás.
Entretanto, um problema que ocorre com as atuaisinstalações de produção de etanol é que são produzidosresíduos e águas residuais não-exploráveis contendo açúcar,com um valor de COD relativamente alto. A pasta nem sempreatende, por exemplo, os requisitos de qualidadeestabelecidos pelos fornecedores de forragem, pelo que deveser tratada de algum outro modo, tal como, por queima oudescarte.
Os problemas relativos à aplicação dos presentesmétodos conhecidos de preparação de etanol na produção empequena escala industrial (menos de 10.000 toneladas deetanol por ano) tem sido, entre outros:
(a) a complexidade da maneira de uso e a estrutura doequipamento necessário para a implementação dos métodos;
(b) os custos de investimento relativamente altos doequipamento e os custos operacionais associados com o usodo equipamento;
(c) a quantidade e a qualidade do resíduo e de fluxosmenores que são criados;
(d) a grande quantidade de trabalho pessoal requerido peloequipamento; e(e) a legislação associada a líquidos inflamáveis, quandodo tratamento de uma mistura de etanol/água, de mais de 80%por volume.
Na qualidade da citação mais próxima apresentadapelo estado da técnica, é divulgada a publicação da PatenteU.S. No. 4.822.737, a qual descreve um processo contínuo depreparação de etanol, no qual é preparada uma misturaconcentrada de etanol/água. A matéria é continuamenteremovida de um dispositivo fermentador através de umdispositivo separador de matéria sólida, para umdispositivo evaporador, no qual o etanol é separado e amatéria não-volátil é introduzida dentro de uma unidade deosmose reversa, a partir da qual é obtida uma descargaseparada de água e a partir da qual a porção contendoaçúcares fermentáveis é reciclada para o dispositivofermentador. O processo pode também ser implementadomediante uso de duas unidades de evaporação, pelo que oconcentrado obtido a partir da unidade de osmose reversa éintroduzido dentro de outra unidade de evaporação paraadicional remoção do etanol.
Objetivo da Invenção
Constitui um objetivo da presente invenção aeliminação das desvantagens acima referidas. Um objetivoespecífico da invenção é divulgar um novo tipo de método einstalação para preparação de etanol, a partir de resíduos,para uso prático, tal como, para uso como combustível ousolvente.
Resumo da InvençãoO método e instalação de acordo com a presenteinvenção são caracterizados pelo que se encontra descritonas reivindicações.
A invenção é fundamentada em um método depreparação de uma mistura de etanol/água, em que matérias-primas fermentáveis selecionadas de açúcares e matérias-primas capazes de serem hidrolisadas em açúcaresfermentáveis, e quaisquer substâncias auxiliaresnecessárias são alimentadas a um reator. As substânciasauxiliares incluem, por exemplo, o ar. As matérias-primassão fermentadas no reator e a partir da solução defermentação assim formada, a mistura de etanol/água éseparada em um evaporador, e a matéria não-fermentada éremovida do reator. De acordo com a invenção, no presentemétodo, a solução de fermentação do reator é continuamentealimentada a um primeiro evaporador do tipo queda depelícula, durante a fermentação. A mistura de etanol/água éevaporada no primeiro evaporador do tipo queda de películae a matéria evaporada obtida do evaporador é condensada e amistura de etanol/água condensada é concentrada em umsegundo evaporador do tipo queda de película, o qual édisposto em série com o primeiro evaporador do tipo quedade película. A água é removida do segundo evaporador naforma de um subtransbordamento; e a matéria não-volátil éremovida do primeiro evaporador e reciclada para o reator.
O método é especificamente baseado em:
a) uso de dois ou mais evaporadores consecutivos do tipoqueda de película, por meio do qual é possível se separarvapor de etanol/água (a matéria evaporada do segundoevaporador) e água relativamente pura (o subtransbordamentodo segundo evaporador) da solução de fermentação;
b) reciclagem da matéria não-volátil do primeiro evaporadordo reator, pelo que o açúcar não-fermentado na matéria éreciclado em uma forma mais concentrada para o reator,acelerando, desse modo a etapa de fermentação; e
c) possibilidade, que é fornecida pelo uso dos evaporadoresdo tipo queda de película, de afetar as concentrações equantidades de matéria não-fermentada, por exemplo, asconcentrações de matéria seca e de etanol.
Preferivelmente, os açúcares fermentáveis oucarboidratos capazes de serem hidrolisados em açúcaresfermentáveis, são descarregados do processo durante afermentação.
Numa modalidade preferida, o reator é um vaso defermentação.
Numa modalidade da presente invenção, a água queestá sendo separada no segundo evaporador do tipo queda depelícula, é pref erivelmente reciclada mais de uma vez nosegundo evaporador, de modo a minimizar a concentração deetanol da água, antes da descarga da água do evaporador.
Em uma modalidade da invenção, a solução defermentação é alimentada a partir do reator dentro de umdispositivo separador de matéria sólida, no qual a lamacontendo matéria sólida é separada da solução defermentação; e a partir do dispositivo separador de matériasólida, a solução de fermentação é alimentada dentro doprimeiro evaporador do tipo queda de película. Em umamodalidade, a lama contendo matéria sólida, separada nodispositivo separador de matéria sólida, é reciclada para oreator. Em uma modalidade, a lama contendo matéria sólida,separada no dispositivo separador de matéria sólida, éremovida do processo.
Em uma modalidade da invenção, o método usa maisde dois evaporadores tipo queda de película conectados emsérie, para separar e concentrar a mistura de etanol/água.
Em uma modalidade da invenção, a mistura deetanol/água é concentrada para um teor de 35-65% em peso deetanol e, numa modalidade mais preferida, para um teor decerca de 40-50% em peso de etanol.
No método de acordo com a invenção, a etapa decondensação pode ser realizada entre os evaporadores e/ouapós cada evaporador.
A água, água livre e teores de matéria seca, oteor de etanol da assim chamada matéria residual produzidaem conjunto com a preparação do etanol, assim como, asconcentrações dos açúcares fermentáveis e dos açúcarescapazes de serem hidrolisado em açúcares fermentáveis,podem ser afetados antes de ocorrer a remoção da matériaresidual do processo:
(a) na fase de fermentação, pela alimentação da soluçãoobtida do dispositivo separador de matéria sólida dentro doprimeiro evaporador do tipo queda de película, pararecuperação do etanol;(b) na fase de descarga, pela alimentação da matéria sólidaobtida do dispositivo separador de matéria sólida fora doprocesso, quando o teor de etanol da solução a seralimentada, proveniente do dispositivo separador de matériasólida dentro do primeiro evaporador tiver caído;
(c) nas fases de fermentação e descarga, pela alimentaçãode água proveniente do segundo evaporador do tipo queda depelícula de volta para dentro do evaporador, até que o teorde etanol da água tenha diminuído.
Além disso, a invenção é baseada em umainstalação para preparação de uma mistura de etanol/água, ainstalação incluindo um reator, por exemplo, um vaso defermentação, dentro do qual as matérias-primas e quaisquersubstâncias auxiliares necessárias são alimentadas e em queas matérias-primas são fermentadas em uma solução defermentação; um evaporador que separa a mistura deetanol/água da solução de fermentação; um conduto paradescarga da solução de fermentação do reator e alimentaçãoda mesma no evaporador e um tubo de exaustão para descargada matéria não-fermentada proveniente do reator. De acordocom a invenção, a instalação inclui um primeiro evaporadordo tipo queda de película, para separar a mistura deetanol/água da solução de fermentação e um segundoevaporador do tipo queda de película para concentrar amistura de etanol/água; onde o segundo evaporador do tipoqueda de película é disposto em série com o primeiroevaporador do tipo queda de película; um condensador paracondensar a mistura de etanol/água obtida do primeiroevaporador, antes de alimentar a mesma dentro do segundoevaporador; um tubo de exaustão para descarregar a água dosegundo evaporador na forma de um subtransbordamento; e umconduto para remover a matéria não-volátil do primeiroevaporador e reciclar a mesma para o reator.
Em uma modalidade da invenção, a instalaçãoinclui um dispositivo separador de matéria sólida, o gual édisposto entre o reator e o primeiro evaporador do tipoqueda de película e no qual a lama contendo matéria sólidaé separada da solução de fermentação, antes da alimentaçãoda solução de fermentação dentro do primeiro evaporador dotipo queda de película.
Em uma modalidade da invenção, a instalaçãoinclui um tubo de reciclagem para reciclar a lama contendomatéria sólida proveniente do dispositivo separador dematéria sólida para o reator.
Em uma modalidade da invenção, a instalaçãoinclui mais de dois evaporadores do tipo queda de películaconectados em série, para separação e concentração damistura de etanol/água.
Os dispositivos da instalação são preferivelmenteintegrados como um todo.
Uma mistura de etanol/água preparada usando ométodo descrito acima pode ser usada como um constituintede um combustível, tal como, gasolina ou diesel, de modoque a mistura de etanol/água é concentrada para um desejadoteor de etanol, e a mistura de etanol concentrado émisturada com os outros constituintes de combustível, demodo a formar uma predeterminada mistura de combustíveis.
Em uma modalidade, a mistura de etanol/água éainda refinada mediante concentração da mesma para um teorde etanol superior a 85% em peso e, preferivelmente, naFinlândia, para um teor superior a 99,7% em peso.
A mistura de etanol pode ser misturada com outrosconstituintes de combustível numa quantidade desejada e deacordo com a quantidade permitida pela legislação e tambémconforme as especificações de produtos.
A mistura de etanol/água, de acordo com ainvenção, pode ser preparada a partir de resíduos daindústria de alimentos, incluindo bioresíduos de armazéns emassa residual de padarias, instalações de processamento deleite ou processamento de batatas.
Graças à presente invenção, o regime de produçãode etanol por volume de fermentação pode sersignificativamente aumentado, quando comparado aosprocessos de preparação de etanol descritos pelo estado datécnica. A mistura de etanol/água é levada para fora dovaso de fermentação de modo contínuo, em conexão com afermentação. Assim, uma mais alta velocidade de fermentaçãoé obtida, quando comparada aos métodos descritos peloestado da técnica.
Numa fase de fermentação suave e contínua, assimcomo, na fase de descarga do vaso de fermentação, a misturade etanol/água pode ser concentrada para formar uma misturade etanol/água com 35-65% em peso, que é uma concentraçãosuficiente do ponto de vista de posterior processamento,utilização e controle de qualidade do etanol. Numa fase defermentação suave e continua, assim como, na fase dedescarga do vaso de fermentação, os fluxos menores queocorrem durante a preparação do etanol, tais como, o fluxoda forma de pasta, dióxido de carbono e água pura, podemser levados para fora do processo na forma de fluxosseparados. A quantidade por volume do resíduo defermentação, tal como, da pasta fluida, é menor, secomparada aos processos descritos pelo estado da técnica.
Quando comparada com as invenções descritas pelo estado datécnica, a presente invenção possibilita a um analista amelhor aferir a qualidade dos fluxos menores que sãoproduzidos e a quantidade e qualidade da água obtida comoum co-produto. Por exemplo, as emissões de dióxido decarbono são consideravelmente menores, quando comparadascom os métodos descritos pelo estado da técnica.
A aplicação do método de acordo com a invenção, adiferentes matérias-primas e a quantidades relativamentepequenas de matérias-primas, por exemplo, menos de 10.000toneladas de etanol por ano, é de custo mais econômico comrelação aos custos de investimento e custos operacionais,quando comparado com os métodos descritos pelo estado datécnica. A obtenção da matéria-prima é fácil e o seu preçorazoável, pelo fato de que a matéria-prima usada no métododa presente invenção consiste de resíduos de outraindústria. Além disso, a invenção opera em conformidade comO princípio de desenvolvimento sustentável, medianteutilização de resíduos de outras indústrias e mediantepreparação a partir destes de produtos desejados paraoutros usos.
Comparado com outros métodos descritos peloestado da técnica associados com a melhoria da preparaçãodo etanol, o método de acordo com a invenção é mais simplese necessita de menos controle quando usado,especificamente, na categoria inferior a 10.000 toneladasde etanol por ano. A instalação da invenção é simples epode ser disposto em um local onde existam resíduos quepossam ser utilizados.
Por outro lado, a invenção contribui para amelhoria da logística de transporte, pelo fato de que amistura de etanol/água pode ser transportada, por exemplo,para terminais de óleo e gasolina, como retorno decaminhões de gasolina.
Relação das Figuras
Na seção seguinte, a invenção será descrita emmaiores detalhes por meio de exemplos de suas modalidades,fazendo-se referência aos desenhos anexos, nos quais:
- a Figura 1 representa uma instalação de acordo com ainvenção;
- a Figura 2 representa uma segunda instalação, de acordocom a invenção; e
- a Figura 3 representa uma terceira instalação, de acordocom a invenção.
Descrição Detalhada da InvençãoExemplo 1
No presente método de acordo com a invenção, oregime de produção de etanol por volume de fermentação podeser aumentado, se comparado com os processos de preparaçãode etanol descritos pelo estado da técnica. No presentemétodo, a mistura de etanol/água é concentrada para um teorde cerca de 50% de etanol. Outros teores de etanol/água sãotambém possíveis. Pelo fato de serem fluxos separados, osfluxos menores produzidos durante a preparação de etanolpodem ser utilizados e, ao mesmo tempo, as quantidades epropriedades dos fluxos menores podem ser controladas. Nopresente método, as quantidades de resíduo e água residualsão pequenas. Além disso, é obtida como co-produto a águapurificada.
No presente método, a evaporação do tipo queda depelícula pode ser executada sob baixa pressão e baixatemperatura, pelo que o micróbio produtor de etanolpresente na solução de fermentação a ser alimentada aoevaporador não morre nas condições do dito evaporador. Porexemplo, a evaporação usando evaporadores do tipo queda depelícula sob baixa pressão, por exemplo, de 0,93 bar,possibilita uma temperatura de evaporação inferior a 38°C.
Nesse caso, por exemplo, a levedura que causa a fermentaçãonão morre nas ditas condições do evaporador antes de serretornada ao vaso de fermentação. Se o micróbio produtor deetanol for separado antes da evaporação ou se o micróbioprodutor de etanol funcionar fixado a um veículo, isto é,imobilizado no vaso de fermentação, então, a evaporaçãopode ser executada sob pressão atmosférica, o que torna oprocesso mais simples. 0 uso um dispositivo separador antesda evaporação, pode ser também necessário quando a soluçãode fermentação contiver uma considerável quantidade dematéria sólida. À custa de economia de energia, osevaporadores do tipo queda de película, podem ser usadospara concentrar uma mistura de etanol/água até 80% em pesousando a recirculação, isto é, mediante retorno doevaporado condensado dos evaporadores, de modo a formar asalimentações para os evaporadores.
Exemplo 2
O presente Exemplo descreve um método de acordocom a invenção e uma instalação para implementação domesmo. Com relação à instalação do presente Exemplo, éfeita referência à Figura 1.
A matéria-prima é alimentada dentro de um vaso defermentação (4) usando um conduto (1). Quaisquersubstâncias auxiliares necessárias e ar podem seralimentados ao vaso de fermentação através dos condutos (2)e (3). Se necessário, o conteúdo do vaso de fermentação(4), especialmente, a matéria não-fermentada, pode serremovido do processo através de um conduto (6). Os gasesproduzidos como resultado da fermentação do etanol,incluindo principalmente o CO2, são removidos do vaso defermentação através de um conduto (5). Dependendo dacomposição da solução de fermentação, assim como, do teorde matéria seca e da quantidade de micróbios produtores deetanol, a solução de fermentação é alimentada usando umconduto (7), através de um dispositivo separador de matériasólida (8), por exemplo, uma centrifuga decantadora, dentrode um primeiro evaporador do tipo queda de película (13),usando um conduto (12) ou diretamente do vaso defermentação (4) para dentro do primeiro evaporador do tipoqueda de película (13) usando um conduto (9). Dodispositivo separador de matéria sólida (8), a lama rica emmatéria sólida é alimentada de volta ao vaso de fermentação(4) usando um conduto (10). Se necessário, a lama rica emmatéria sólida no dispositivo separador de matéria sólida(8) pode ser levada para fora do processo através de umconduto (11).
Do primeiro evaporador do tipo queda de película(13), o evaporado é alimentado através de um conduto (14)dentro de um condensador (16), a partir do qual, o fluxoliqüefeito é introduzido através de um conduto (17) dentrode um segundo evaporador do tipo queda de película (18). Doprimeiro evaporador do tipo queda de película (13), amatéria não-volátil é alimentada dentro do vaso defermentação através de um conduto (15). 0subtransbordamento do segundo evaporador do tipo queda depelícula (18), que consiste principalmente de água, éremovido usando um conduto (20). 0 evaporado do segundoevaporador do tipo queda de película (18) é alimentadoatravés de um conduto (19) dentro de um condensador (21) edaí, através de um conduto (22) dentro de um condensadorfinal (23) , a partir do qual a mistura de etanol/águacompletamente condensada é alimentada através de um conduto(24) dentro de um tanque de armazenamento (25) para amistura de etanol/água. 0 gás de saída do condensador finalé removido do processo através de um conduto (26) . É aindapossível se utilizar no processo trocadores de calor entreos fluxos (12) e (14) e (17) e (19). A condensação final(23) consiste de um fluxo relativamente pequeno, sendopossível se utilizar na mesma um trocador de calor comcirculação de matéria fria, condensando a água a umatemperatura de cerca de 200°C. Na modalidade mostrada nafigura 1, se dispõe um vaso de fermentação, mas podem serdispostos mais de um vaso de fermentação em série ou emparalelo. Na modalidade da figura, aparecem doisevaporadores do tipo queda de película (13) e (18) emsérie, mas podem ocorrer mais de dois evaporadores do tipoqueda de película em série.
0 vaso de fermentação (4) apresenta trêsdiferentes fases de processamento:
1) enchimento;
2) fermentação e adição de alimentação dentro dos limitesde nível; e
3) descarga do vaso de fermentação.
A fase de enchimento se inicia com a alimentaçãoda matéria-prima e de quaisquer necessárias substânciasauxiliares através dos condutos (1) e (2) dentro do vaso defermentação (4). Se necessário, para aumentar a massa domicróbio produtor de etanol, podem ser alimentados ar ou oqdentro do vaso de fermentação através do conduto (3) . Nafase de enchimento, os condutos (1), (9) e (6) sãofechados.
Na fase de fermentação, a alimentação éadicionada ao vaso de fermentação (4) através de um conduto(1), dentro dos limites de nivel do vaso de fermentação, doconteúdo de etanol do conduto (22) e do conteúdo de açúcarda matéria-prima fermentável do vaso de fermentação, assimcomo, dentro dos limites do conteúdo de carboidratos damatéria-prima capaz de ser hidrolisada em açúcaresfermentáveis. Se a matéria sólida da solução de fermentaçãoocasionar um risco de contaminação ao evaporador do tipoqueda de película, a solução de fermentação é alimentadaatravés de um conduto (7) dentro do dispositivo separadorde matéria sólida (8). Se a contaminação causada pelamatéria sólida da solução de fermentação for permitida, asolução de fermentação será alimentada através de umconduto (9) diretamente dentro do evaporador do tipo quedade película (13) . Nesse caso, o etanol pode ser obtido apartir da solução de fermentação, dentro do tanque dearmazenamento (25) e, ao mesmo tempo, a água é descarregadada solução de fermentação através do conduto (20). Aevaporação nos evaporadores do tipo queda de película podeser executada sob pressão normal, pelo que a temperatura dasolução que está sendo descarregada é de cerca de 80-85°Cou sob baixa pressão, por exemplo, uma pressão de 0,93 bar,pelo que a temperatura da solução que está sendodescarregada é de cerca de 36°C. Numa suficiente etapa deevaporação sob baixa pressão, por exemplo, sob uma baixapressão de 0,93 bar e sob uma temperatura de 36°C, omicróbio produtor de etanol não precisa ser necessariamenteseparado da solução a ser evaporada, mas, a solução do vasode fermentação (4) pode ser alimentada, sem que osmicróbios morram, dentro do evaporador do tipo queda depelícula (13) através de um conduto (9). Além disso, aseparação não é necessária se o micróbio produtor deetanol, por exemplo, a levedura que causa a fermentação,for imobilizada. Usando uma baixa pressão nos evaporadoresdo tipo queda de película (13) e (18), se reduz anecessidade para a necessária energia de evaporação, mas seaumenta o volume dos condensadores (16), (21) e (23) e seenfraquece a transferência de calor dos condensadores.
O conduto (12) para o evaporador do tipo queda depelícula (13) pode ser fechado em uma parte de tempo nafase de fermentação, dentro dos limites do nível do vaso defermentação (4) e dentro dos limites de fluxo do conduto(1). Em média, cerca de 40% em peso da mistura deetanol/água é produzida dentro do tanque de armazenamentode produto (25) e isto é conteúdo suficiente tendo-se emvista o posterior processamento.
Na fase de descarga, a matéria não-fermentadae/ou água aí formada, que enfraquece a operação suave econtínua, é descarregada do vaso de fermentação (4). A fasede descarga é executada quando a matéria não-fermentadaenfraquece o resultado da fermentação e quando os açúcaresfermentáveis e carboidratos capazes de serem hidrolisadosem açúcares fermentáveis são fermentados o máximo possívelno vaso de fermentação. Na fase de descarga, mais nenhumamatéria-prima pode ser. alimentada dentro do vaso defermentação dentro dos limites de nivel. Nesse caso, asolução de fermentação é alimentada através do conduto (7)dentro do dispositivo separador de matéria sólida (8) e apartir deste, através do conduto (12) para o evaporador dotipo queda de película (13) ou diretamente para oevaporador do tipo queda de película (13). Quando o teor deetanol na solução de fermentação for suficientemente baixo,por exemplo, 0,5% em peso, o conduto (9) e o conduto (12)serão fechados e a lama será removida do processo atravésde um conduto (11) e a matéria não-fermentada no vaso defermentação será removida do processo através de um conduto (6) .
Nos condensadores (16) e (21) é possível se usarresfriamento externo. No condensador (23), pode seproporcionar uma temperatura suficientemente baixa para ovapor, a fim de que a descarga do etanol através de umconduto (26) seja a menor possível. Além disso, nas fasesde alimentação, fermentação e descarga, como regraprincipal, a temperatura do vaso de fermentação pode serajustada, em outras palavras, resfriada.
Exemplo 3
O presente Exemplo mostra o uso de soro de leite,um co-produto do processo de fabricação de queijo, comomatéria-prima no processo em conformidade com a invenção; éfeito referência à Figura 2.Um soro de leite típico, formado como um co-produto no processo de fabricação de queijo, contém lactose(4,8% em peso), que, como tal, atua como um substrato parao micróbio produtor de etanol; e, por exemplo, as levedurascausadoras da fermentação geneticamente modificadas podematuar como o micróbio produtor de etanol. Tipicamente, osoro de leite contém uma matéria sólida inferior a 3% empeso. No presente Exemplo, o micróbio produtor de etanolfoi imobilizado no vaso de fermentação por meio datecnologia descrita pelo estado da técnica, pelo que osevaporadores de queda de película (13) e (18) e oscondensadores (16), (21) e (23) atuam sob a pressãoatmosférica, numa temperatura variando de 80 a 90°C. Amatéria não-f ermentada pode ser usada como um suco deforragem, cujo teor de carboidratos é menor queanteriormente, mas, o teor de proteínas é consideravelmentemais alto que anteriormente. Na fase de fermentação, com umfluxo de alimentação de 1 a 0,9 kg/s, o fluxo de saída (24)é de 0, 054 kg/s e o teor de etanol do fluxo de saída é de40% em peso. Nesse caso, o fluxo (20) é de 0, 306 kg/s econsiste de água praticamente pura. A quantidade do fluxo(9) é de 1,44 kg/s e o seu teor de etanol é de 1,5% em pesoe o teor de açúcar de 1,8% em peso. O refluxo (15) damatéria não-volátil é de 1,08 kg/s e o mesmo não contémetanol, o seu teor de açúcar sendo de 2,4% em peso. Emoutras palavras, nesse Exemplo, a solução de fermentação éacumulada dentro do vaso de fermentação a uma velocidade de0,54 kg/s, isto é, o baixo teor de açúcar do soro de leiteresulta em um processo semi-continuo conforme o método deacordo com a invenção, sendo possível se alimentar o sorode leite dentro do processo, dentro dos limites de nível dovaso de fermentação (4).
Exemplo 4
O presente Exemplo mostra o uso de uma massa deresíduo como matéria-prima da instalação de acordo com ainvenção; é feito referência à figura 3.
Uma massa de resíduos, tipicamente, contém cercade 50-60% de matéria seca, das quais 60-80% em peso é amidooriginário do grão e cerca de 5% em peso consiste dediferentes açúcares. A massa de resíduos foi diluída emágua e o amido contido na mesma foi hidrolisado emaçúcares, antes da alimentação dentro do processo de acordocom a invenção. No presente Exemplo, a matéria seca e omicróbio produtor de etanol, que é a levedura, sãoseparados da solução de fermentação antes da alimentaçãodentro dos evaporadores do tipo queda de película (13) e(18), pelo que os evaporadores e os condensadores (16),(21) e (23) operam sob uma pressão atmosférica normal, sobuma temperatura variando de 80 a 90°C. A matéria não-fermentada pode ser usada como forragem. Na fase defermentação, quando o fluxo de alimentação (1) for de 0,1kg/s, o fluxo de saída (24) será de 0,0125 kg/s e oconteúdo de etanol do fluxo de saída será de 40% em peso.Nesse caso, o fluxo é de 0,0708 kg/s, sendo praticamente deágua pura. A quantidade do fluxo (12) é de 0,166 kg/s e oseu teor de etanol é de 3,0% em peso e o teor de açúcar de4,0% em peso. O refluxo (15) da matéria não-volátil é de0, 083 kg/s e o mesmo não contém etanol, o seu teor deaçúcar sendo de 9,0% em peso. A matéria não-fermentada éformada a uma velocidade de 0,0166 kg/s, cuja matéria éremovida durante a fase de descarga. No presente Exemplo,nenhuma solução de fermentação é acumulada dentro do vasode fermentação e a modalidade de acordo com a invenção éoperada de forma continua.
Na aplicação do método de acordo com a presenteinvenção, é possível se preparar a partir de diversosfluxos menores e fluxos residuais produzidos na indústriade processamento de alimentos, agricultura e outrasindústrias, uma mistura de etanol/água com 35-65% em peso,preferivelmente, 40-50% em peso, para ser processadaposteriormente, de modo a se ter o desejado teor de etanol,por exemplo, a ser usado como combustível para veículos, oucomo solvente para diversos processos industriais usandomisturas de etanol, ou ainda como outros usos de etanol oumistura de etanol. A matéria/resíduos não fermentados noreator ou vaso de fermentação que é produzida no método deacordo com a invenção, pode ser utilizada como forragem deanimal ou como condicionador de solo.
A invenção não está limitada simplesmente aosexemplos de suas modalidades acima referidas; em vez disso,diversas variações são possíveis dentro do escopo da idéiada invenção, que é definido pelas reivindicações anexas.
Claims (17)
1. Método para preparação de uma mistura deetanol/água, no qual matérias-primas fermentáveis (1),selecionadas de açúcares e matérias-primas capazes de seremhidrolisadas em açúcares fermentáveis, e quaisquersubstâncias auxiliares necessárias (2, 3) são alimentadas aum reator (4); as matérias-primas sendo fermentadas noreator (4); a mistura de etanol/água sendo separada dasolução de fermentação do reator em um evaporador (13); e amatéria não-f ementada sendo removida do reator;caracterizado pelo fato de que a solução de fermentação(7, 9) do reator (4) é continuamente alimentada dentro deum primeiro evaporador do tipo queda de película (13)durante a fermentação; a mistura de etanol/água é evaporadano primeiro evaporador do tipo queda de película; omaterial evaporado (14) obtido do evaporador é condensado;e a mistura de etanol/água condensada é concentrada em umsegundo evaporador do tipo queda de película (18), o qual édisposto em série com o primeiro evaporador do tipo quedade película (13); a água é removida do segundo evaporadordo tipo queda de película (18) como um subtransbordamento(20) e a matéria não-volátil (15) é removida do primeiroevaporador (13) e reciclada para o reator (4).
2. Método, conforme definido na reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o reator é um vaso defermentação (4).
3. Método, conforme definido nas reivindicações 1ou 2, caracterizado pelo fato de que a água que está sendoseparada no segundo evaporador do tipo queda de película(18) é reciclada no evaporador, de modo a minimizar aconcentração de etanol da água, antes de remover a água(20) do evaporador.
4. Método, conforme definido em quaisquer dasreivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de que asolução de fermentação é alimentada a partir do reator (4)dentro de um dispositivo separador de matéria sólida (8),no qual a lama contendo matéria sólida (10, 11) é separadada solução de fermentação e a solução de fermentação (12) éalimentada a partir do dispositivo separador de matériasólida para dentro do primeiro evaporador do tipo quedá depelícula (13).
5. Método, conforme definido na reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que a lama (10) contendo matériasólida, separada no dispositivo separador de matériasólida, é reciclada para o reator (4).
6. Método, conforme definido na reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que a lama (11) contendo matériasólida, separada no dispositivo separador de matériasólida, é removida do processo.
7. Método, conforme definido em quaisquer dasreivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que o métodousa mais de dois evaporadores do tipo queda de película(13, 18) conectados em série, para separação e concentraçãoda mistura de etanol/água.
8. Método, conforme definido em quaisquer dasreivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que amistura de etanol/água é concentrada numa concentração decerca de 35-65% em peso de etanol.
9. Método, conforme definido em quaisquer dasreivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que amistura de etanol/água é concentrada numa concentração decerca de 40-50% em peso de etanol.
10. Método conforme definido em quaisquer dasreivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que amatéria-prima é alimentada através de um conduto (1) dentrodo vaso de fermentação (4); quaisquer substânciasauxiliares necessárias são alimentadas dentro do vaso defermentação através dos condutos (2) "e (3) ; quando doesvaziamento do vaso de fermentação (4), a matéria não-fermentada é removida através de um. conduto (6); os gasesproduzidos no vaso de fermentação (4) como resultado dafermentação do etanol são removidos do vaso de fermentaçãousando um conduto (5) ; dependendo da composição da soluçãode fermentação, a solução de fermentação é alimentadaatravés de um conduto (7), através do dispositivo separadorde matéria sólida (8), dentro do primeiro evaporador dotipo queda de película (13) ou diretamente do vaso defermentação (4) através de um conduto (9) dentro doprimeiro evaporador do tipo queda de película (13); apartir do dispositivo separador de matéria sólida (8), alama rica em matéria sólida é reciclada para o vaso defermentação (4) usando um conduto (10) ou a lama rica emmatéria sólida no dispositivo separador de matéria sólida éremovida do processo usando um conduto (11); a partir doprimeiro evaporador do tipo queda de película (13), amatéria evaporada é alimentada através de um conduto (14)dentro de um condensador (16), a partir do qual ρ fluxoliqüefeito é alimentado através de um conduto (17) dentrode um segundo evaporador do tipo queda de película (18),conectado em série; a partir do primeiro evaporador do tipoqueda de película, a matéria não-volátil é alimentadaatravés de um conduto (15) a um vaso de fermentação (4); osubtransbordamento do segundo evaporador do tipo queda depelícula (18), consistindo principalmente de água, éremovido através de um conduto (20); a matéria evaporada dosegundo evaporador do tipo queda de película (18) éalimentada através de um conduto (19) dentro de umcondensador (21) e daí, através de um conduto (22) dentrode um condensador final (23) , a partir do qual a misturacondensada de etanol/água é alimentada através de umconduto (24) dentro de um tanque de armazenamento (25) damistura de etanol/água e o gás de saída do condensadorfinal é descarregado do processo através de um conduto (26).
11. Instalação para preparação de uma mistura deetanol/água, a instalação incluindo um reator (4), dentrodo qual as matérias-primas e quaisquer substânciasauxiliares necessárias são alimentadas e em que asmatérias-primas são fermentadas em uma solução defermentação; um evaporador (13), no qual a mistura deetanol/água é separada da solução de fermentação; umconduto (7, 9, 12) para descarga da solução de fermentaçãodo reator (4) e introdução da mesma no evaporador (13); eum tubo de exaustão (6) para descarga da matéria não-fermentada proveniente do reator; caracterizada pelo fatode que a instalação inclui um primeiro evaporador do tipoqueda de película (13), para separar a mistura deetanol/água da solução de fermentação e um segundoevaporador do tipo queda de película (18) para concentrar amistura de etanol/água; onde o segundo evaporador do tipoqueda de película (18) é disposto em série com o primeiroevaporador do tipo queda de película (13); um condensadorpara condensar a mistura de etanol/água a ser obtida doprimeiro evaporador (13), antes de alimentar a mesma dentrodo segundo evaporador (18) ; um tubo de exaustão (20) paradescarregar a água do segundo evaporador (18) na forma deum subtransbordamento; e um conduto (15) para descarregar amatéria não-volátil do primeiro evaporador (13) e reciclara mesma para o reator (4) .
12. Instalação, conforme definida nareivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o reator éum vaso de fermentação (4) .
13. Instalação, conforme definida nasreivindicações 11 ou 12, caracterizada pelo fato de que ainstalação inclui um dispositivo separador de matériasólida (8), o qual é disposto entre o reator (4) e oprimeiro evaporador do tipo queda de película (13) e noqual a lama contendo matéria sólida (10, 11) é separada dasolução de fermentação.
14. Instalação, conforme definida em quaisquerdas reivindicações 11-13, caracterizada pelo fato de que ainstalação inclui um tubo de reciclagem (10), para reciclara lama contendo matéria sólida proveniente do dispositivoseparador de matéria sólida (8), para o reator (4).
15. Instalação, conforme definida em quaisquerdas reivindicações 11-14, caracterizada pelo fato de que ainstalação inclui mais de dois evaporadores do tipo quedade película (13, 18) conectados em série para separação econcentração da mistura de etanol/água.
16. Uso de uma mistura de etanol/água, preparadade acordo com quaisquer das reivindicações 1-10, como umconstituinte de combustível, caracterizado pelo fato de quea mistura de etanol/água é concentrada ao teor desejado deetanol e a mistura concentrada de etanol é misturada comoutros constituintes de combustível, de modo a formar umapredeterminada mistura de combustível.
17. Uso de uma mistura de etanol/água como umconstituinte de combustível, caracterizado pelo fato de quea mistura de etanol/água é concentrada em uma mistura deetanol de mais de 85% em peso.
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