BRPI0706009B1 - Processo de fermentação para produção de bioetanol - Google Patents

Abstract

processo de fermentação para produção de bicetanol. trata de um processo de fermentação alcoólica que utiliza cepas de levedura floculantes, em biorreatores tipo torre de leito fixo, expandido ou fluidizado, com uma unidade de regeneração do biocatalisador acoplada, utilizando produtos vegetais que contenham sacarose, glicose e frutose como matéria-prima; o processo desenvolvido é aplicado na unidade de fermentação de materiais açucarados contendo sacarose, glicose e frutose, provenientes de fontes vegetais de forma direta ou após hidrólise, nas industrias de produção de bebidas alcoólicas, álcool carburante, álcool industrial e álcool anidro; tal processo compreende as seguintes etapas: 1) preparo do mosto, 2) alimentação dos biorreatores, 3) processo de conversão, 4) degasagem do material fermentado, 5) recuperação do biocatalisador, 6) tratamento do biocatalisador, 7) retorno do biocatalisador ao fermentador, e 8) recuperação de etanol.

Description

PROCESSO DE FERMENTAÇÃO PARA

PRODUÇÃO DE BIOETANOL

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente patente de

Privilégio de Invenção trata-se de um processo de fermentação para produção de bioetanol que ,_permi.te . .a obtenção de altas concentrações de etanol, com alta produtividade, em material fermentado.

processo ora tratado elimina a utilização de máquinas centrifugas uma vez que a separação do biocatalisador do vinho para posterior regeneração pode ser realizada por decantação, salientando que a matéria prima a ser fermentada estende-se a diferentes fontes de carboidratos de origem vegetal.

FUNDAMENTOS

DA INVENÇÃO

Os primeiros processos de fermentação alcoólica operando em batelada alimentada surgiram na

França e datam da década de trinta. Esse

conhecido como processo

Melle-Boinot. Nesses sistemas já existe uma reutilização do fermento por mais de um ciclo de fermentação.

Esse processo proporcionou grande avanço na produção industrial de etanol (ALMEIDA,

1960) .

Brasil só passou a utilizar os processos de batelada alimentada a partir da década de

60. Esses processos só tiveram sua utilização acelerada com o advento do Programa Nacional do Álcool (Proálcool) nos anso 70. Segundo ZAPERLLON & ANDRIETTA (1992) , todas as

2/Ί4 destilarias instaladas com a criação do Proálcool em 1975, foram equipadas com esse processo.

Os processos contínuos surgiram como forma de aperfeiçoamento do processo Melle-Boinot, apesar de nao ser um desenvolvimento recente (FINGUERUT et

ZAPERLLON & ANDRIETTA (1992) afirmam gue. nos anos 90, 40% das unidades industriais brasileiras utilizam processos de avaliações produção vantagens batelada fermentação contínua.

econômicas de etanol do processo tradicional

Estudos comparativos de diversos processos utilizados na por fermentação concluíram pelas de fermentação contínua em relação à (CYSEWSKI & WILKE, 1978; MAIORELLA et al., 1984) . CYSEWSKI & WILKE (1978) demonstraram uma redução de 57% no investimento de capital fixo em destilarias com fermentação contínua quando comparado ao daquelas que reciclo de células e operação a vácuo, respectivamente.

Todos os processos apresentados acima utilizam leveduras Saccharomyces Cerevisae com características não floculante. Nos processos mais recentes, tanto contínuos como descontínuos, a massa celular é reciclada utilizando separadoras centrífugas, com posterior tratamento ácido da massa de células reciclada.

Uma inovação para os processos f ermentatívos se deu com a utilização de leveduras floculantes, permitindo eliminar as separadoras centrífugas

3'Ί4 que têm finalidade de separar as células do vinho fermentado (BU'-LUCK, 1983).

Ά possibilidade de utilização de leveduras Saccharomyces cerevisae com características 5 floculantes nos processos fermentativos para a produção de etanol tem sido objeto de estudo de diversos .grupos.. de pesquisas. Muitas são as variações propostas para esse tipo de processo, podendo a fermentação ocorrer em dois tipos de

biorreatores, sendo eles: de mistura perfeita e tipo torre.

Os processos utilizando reatores de mistura perfeita, são constituídos normalmente de 2 ou mais bior reator es ligados em série com sistema de agitação e resfriamento externo por trocadores de calor a placa. Após deixar o último biorreator o vinho é enviado para um decantador, onde as células são separadas dc vinho por decantação, sendo o sobrenadante enviado para o tanque pulmão da destilaria e as células decantadas são recirculadas para o processo. Este tipo de processo

encontra-se instalado em pelo menos 3 unidades industriais brasileiras, sendo elas: Petribu Paulista, Trapiche e São

José.

São vários os artigos que apresentam processos fermentativos utilizando biorreatores tipo torre e com levedura floculante. A seguir são descritos 25 aqueles que mais semelhança apresentam com o processo proposto.

PAIVA et al. (1996) demonstraram que é possível diminuir os custos de produção de etanol operando com um reator de forma contínua, tipo

4/14 torre, com altas concentrações de células utilizando decantadores como unidade de separação quando a cepa de levedura utilizada possui características floculantes, obtendo

NAGASHIMA et al., propuseram dois tipos de arranjos para fermentação alcoólica contínua com levedura imobilizada. O primeiro arranjo preconiza a utilização de dois reatores

torre de leito fluidizado em série A segunda proposta utiliza três reatores tipo torre ligados em série todos com relação foi 20 diâmetro/altura vezes maior que conversão de 95% além da por um longo trabalharam utilizando diferentes. A produtividade obtida os processos tradicionais com uma boa estabilidade período de tempo.

com dois leveduras produtividade máxima

VIEGAS et reatores tipo floculantes.

de 15,40 g de torre

Esse operacional obtida al. , (2002 a) processo obteve

Etanol/L.h mantendo o

rendimento na faixa de 93%.

VIEGAS et al, (2002 propuseram um processo de fermentação alcoólica utilizando um sistema constituído de obtendo alta concentração de etanol no vinho

WIECZOREK & MICHALSKI (1994)

Utilizaram um único bioreator tipo torre com leveduras floculantes operando com leito fluidizado para a produção de etanol, a partir de meio sintético e melaço com concentração de 17%(p/v) de açúcar, atingindo produtividades de 15 a 20

14 kg de etanol/m³ de no biorreator para biorreator x hora. Este utilizou aeração manter a viabilidade do fermento.

tipo de processo linhagem para a

As patentes são: CN1352241-A de levedura auto floculante que produção de etanol, ficando que descrevem esse descreve uma nova pode ser utilizada presa no tanque fermentador e podendo ser separada sem a utilização de

separadoras centrifugas;

linhagem de levedura reatores

US2005019932-A1floculante pode bem agitados para a produção de ser descreve utilizada etanol;

uma em

GB2199844-A utilizam reatores de mistura ligados reprodução de células com concentração de substrato reatores subsequente onde em série, sendo o primeiro para adição de ar e controle da e a fermentação o processo de ocorrendo nos anaerobiose é dominante;

US6861248 onde é descrito

diferentes processos dos tipos: contínuos e batelada para a produção de etanol.

Um dos exemplos trata de um biorreator de leito fluidizado, onde ar é injetado para manter o leito em movimentação.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Visando solucionar os problemas acima mencionados, foi desenvolvida a presente patente de Privilégio de Invenção.

O invento em questão consiste de um processo de fermentação alcoólica que utiliza cepas de levedura floculantes, em biorreatores tipo torre de leito

14 fixo, expandido ou fluidi zado, desprovido de unidade de separação e recirculação de células.

matéria prima ser processada inclui materiais que contenham sacarose, glicose e frutose, obtidos por extração direta ou por hidrólise de produtos vegetais. Materiais residuais proven iente s de unidades de processamento que contenham estes açúcares também podem ser utilizados nesse processo.

Atualmente a produção de etanol no continente americano representa cerca de dois terços da produção total mundial. Essa produção atingiu em 1998 um valor de 31,2 bilhões de litros. Este valor corresponde uma produção total de litros,

África e de milhões de do continente americano de 20,3 bilhões de 5,5

0,2 na na

Ásia, de

4,7 na

Europa, de 0,5 em

Na safra

2005/2006 dos 440 toneladas de cana-de-açúcar plantada no Brasil,

177,9 milhões produção de

Brasileiro da produção será serão transformados em bilhões de litro cana-de-açúcar, 2005) .

obtida em plantas que etanol. Espera-se uma de álcool (Anuário

Grande parte dessa operam com sistemas convencionais, seja de forma contínua ou batelada.

processo desenvolvido será aplicado na unidade de fermentação de materiais açucarados contendo sacarose, glicose e frutose, provenientes de fontes vegetais de forma direta ou após hidrólise, nas industrias de produção de bebidas alcoólicas, álcool carburante, álcool industrial e álcool anidro.

presente processo tem como

7/14 principais vantagens: menor custo de produção de etanol, por eliminar etapas como centrifugação e tratamento ácido; maior facilidade de operação; fácil automação a custo 5 relativamente baixos por exigir menor número de equipamentos de controle devido a sua operação simplificada; maior produtividade; menor custo de implantação, por não depender de equipamentos de alto custo como separadoras centrífugas;

além de ser aplicável a qualquer tamanho de plantas, permitindo acesso dos pequenos produtores à tecnologia de ponta.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A seguir, a presente patente de

Privilégio de Invenção será pormenorizadamente explanada com

base na figura 1, a qual ilustra, esquematicamente, a

estratégia	de controle	de vazão	para caldo de	cana	de
açúcar.
		Nesta	figura, a indicação	1
representa	o caldo, a	indicação	2 representa a	água,	as
indicações	3 representam	os tanque	s, a indicação 4	indica	o
controlador	de nível, a	indicação	5 representa o	indicador

de densidade, a indicação 6 representa o controlador de fluxo, a indicação 7 representa o medidor de vazão e a indicação 8 representa a válvula.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO objetivo do processo abaixo pormenorizado diz respeito à transformação de matéria-prima vegetal em bioetanol, com o auxílio de biocatalisador.

8/14

O processo de fermentação para a produção de bioetanol, objeto da presente patente de privilégio de Invenção, ocorre em uma planta industrial constituída essencialmente de biorreatores, tanque de degasagem, decantador e tanque de tratamento de biocatalisador.

Os Biorreatores, de dois . a seis, ligados em série, utilizados neste processo são do tipo torre com relação altura/diâmetro compreendida na faixa

de 5 a 20, com sistema de resfriamento externo constituídos de um conjunto bomba/trocadores de calor a placa. Na parte superior dos biorreatores existe uma câmara de expansão de gases, visando evitar o arraste de espuma para torre de recuperação de etanol. Esta câmara de expansão é constituída por um aumento de diâmetro a partir do ponto que corresponde a 75% da altura do me smo.

tanque cilíndrico entre 1,2 e 1,4. 0

O tanque de degasagem é um com relação altura/diâmetro compreendida mesmo é equipado com um agitador mecânico que permite a remoção de todo o gás dissolvido no material fermentado.

separação do biocatalisador é um tanque cilindro com fundo cônico de 60°.

unidade de regeneração do biocatalizador é constituído de um tanque cilíndrico com relaçao diâmetro/altura 1,4. Este tanque é equipado com um sistema de aeração que permite a formação de microbolhas que percolam pela massa de biocatalisador a ser regenerado.

microorganismo utilizado no

7/

14 processo abaixo descrita se trata de uma linhagem de levedura nativa do isolada de destilarias brasileiras de produção de álcool carburante, em um estudo onde 1343 linhagens foram estudadas, das quais 97 apresentaram características de floculação e somente 3 as características especiais de floculação necessária para serem utilizadas neste tipo de processo. Estas linhagens de

levedura possuem características de floculação intensa o que permite a formação de leitos estáveis nos permitindo que o mesmo opere como um bior reator de leito fixo, o que traz grandes vantagens para processos que possuam inibição forte pelo produto, como o caso da fermentação alcoólica.

matéria-prima utilizada proveniente de diferentes fontes vegetais, contendo sacarose, glicose e/ou frutose.

processo desenvolvido

consiste nas seguintes etapas do mosto,

Alimentação dos

Processo de conversão,

Degasagem do material fermentado, 5)

Recuperação do biocatalisador,

6) Tratamento do biocatalisador, do biocatalisador ao fermentador, e 8) Recuperação de etanol.

A etapa 1, isto é, a etapa de preparo do mosto, consiste em adequar a matéria-prima, proveniente de diferentes fontes vegetais para alimentar o primeiro biorreator. O material contendo sacarose, glicose e/ou frutose, proveniente ou não de unidades de pré tratamento, tais como, hidrólise, esterilização, decantação

14 e outros, é controle de alimentação enviado para um tanque provido de um sistema nivel utilizado para estabilizar do primeiro biorreator.

A estratégia de de a vazão ajuste de da concentração de variar de acordo cana de açúcar açúcares e vazão desta linha de com a matéria prima utilizada, a

Quando é utilizado adicionado de melaço de cana de fluxo pode saber:

caldo de açúcar, a estratégia adotada para o preparo e controle de vazão consiste em adicionar mel ao caldo em quantidade suficiente, manipulando-se a velocidade da bomba de mel através do sinal enviado pelo sensor de densidade, posicionada logo após o misturador estático instalado nesta linha.

O controle da vazão de mosto consiste em manter constante a vazão de alimentação ao processo através da manipulação de uma válvula moduladora localizada linha de produção, em função do sinal recebido do medidor de vazão.

Para que esta malha funcione

adequadamente, uma segunda malha é necessária. Esta malha mantém o nível do tanque de caldo através da adição de água, quando a vazão de caldo não for suficiente para manter a mosto desejada.

vazão de

Este sistema é constituído de uma

válvula	localizada	na	tubulação	de água que é	manipulada
através	do sinal	recebido de	um transmissor	de nível
25 localizado na caixa	de	caldo.
			A	figura 1	mostra

esquematicamente a estratégia de controle completa para este tipo de matéria prima.

i |/14

Quando é utilizado concentrado de licor de geralmente é fornecido de forma concentrada, deve ser diluído antes de ser alimentado ao primeiro biorreator.

estratégia de adicionar água água de controle através forma de de preparo ao mesmo a atingir desta matéria-prima consiste em linha, controlando a vazão o valor de densidade desejado.

em de vazão deste material para o biorreator é feito uma válvula moduladora localizada na linha de de acordo com o sinal recebido de um medidor de vazão localizada nesta mesma linha.

Na etapa 2, a qual se trata da alimentação dos biorreatores, a matéria prima já preparada na etapa 1 é enviada através de bombas para o biorreator, onde se inicia a conversão dos açúcares em etanol. A alimentação do biorreator é realizada pelo fundo do mesmo, com vazão controlada. Esta alimentação pode ser dividida para os outros biorreatores, dependendo da configuração do processo escolhida, sendo sempre realizada pelo fundo do

A etapa 3, ou seja, o processo de conversão, inicia-se no instante que a matéria-prima preparada é alimentada ao biorreator. Nesta fase, o material açúcarado percola pelo leito biocatalítico, formado por 25 células de levedura com características floculantes, onde é transformado em etanol ao longo do mesmo. Devido a problemas de fluído dinâmica, causado pelo grande volume de dióxido de carbono formado durante o processo, este leito biocatalítico é dividido fisicamente em diferentes partes, contidas em

12/Η vários biorreatores ligadas em série. Esta divisão permite a eliminação de parte do dióxido de carbono produzido em cada parte do leito, diminuindo o arraste de biocatalisador,

aumentando	a estabilidade operacional do sistema.
5	A conversão se dá	de	forma	2Ί
gardual,	seguindo o perfil de um biorreator	de	fluxo
pistonado,	o que diminui a inibição do etanol	sobre as

células constituintes do leito biocatalitico. Em se tratando

de uma uma reação exotérmica, cada biorreator é equipado com um trocador de calor externo, onde o material contido no biorreator é bombeado para os trocadores, saindo de um ponto situado a 50% da altura total do mesmo e retornando pelo fundo, junto com a alimentação. Este procedimento dilui o material alimentado ao biorreator, dimiuindo de inibição pelo substrato.

Dependendo das condições de operação, os leitos biocataliticos podem se comportar como

Ao deixar leito biocatalitico, aproximadamente 99,5% do total de açúcares etanol.

degasagem do biorreator, o etanol,

Visando que o material material partículas de

Na etapa 4, isto é, fermentado, ao deixar a etapa de o último resultante da bioconversão contém biocatalisador e gás dissolvido.

a recuperação do biocatalisador, faz se necessário dióxido de carbono nele contido seja eliminado, permitindo que o mesmo se separe do vinho por decantação.

Sendo assim, o material efluente do último biorreator é

13/14 enviado para um tanque agitado, onde este gás é totalmente eliminado.

Já na etapa 5, a qual consiste na recuperação do biocatalisador, após a degasagem do meio fermentado, o mesmo segue do tanque de degasagem para um decantador de uma única bandeja, onde as partículas de biocatalisador são retidas e concentradas, sendo removidas pelo fundo do mesmo. O líquido fermentado isento de partículas biocatalíticas é enviado para o tanque pulmão dos aparelhos de destilação. As partículas recuperadas são enviadas para a unidade de regeneração.

Na etapa 6, ou seja, a etapa de tratamento do biocatalisador, a regeneração se dá em um tanque com tempo de retenção entre 0,5 a 4 horas, onde é adicionado água e ar de forma contínua. A taxa de aeração é mantida em uma faixa de 0,1 a 1 vvm (volume de ar por volume de líquido por minuto) . Após regenerados, o biocatalisador tratado é devolvido para o primeiro biorreator de forma contínua. Esta prática permite regenerar todo o biocatalisador de forma contínua sem a necessidade de interrupção do processo em ciclos compreendidos entre 24 a 96 horas.

Na etapa 7, a qual se refere ao retorno do biocatalisador ao fermentador, ocorre que após regenerado, o biocatalisador é então enviado para o primeiro biorreator de forma continua, sendo injetado no tubo de retorno de vinho que passou pelo trocador de calor. Este local foi escolhido por permitir uma melhor mistura deste biocatalisador com o material em fermentação.

14/14

Na etapa 8, ou seja, a etapa final do processo, que trata da recuperação do etanol, os gases que deixam os biorreatores são enviados para uma coluna de lavagem de gases, onde o etanol contido nos gases são recuperados pela água de lavagem a qual retorna para o tanque pulmão dos aparelhos de destilação.

A descrição acima da presente invenção foi apresentada com o propósito de ilustração e descrição. Além disso, a descrição não tenciona limitar a invenção à forma aqui revelada. Em consequência, variações e modificações compatíveis com os ensinamentos acima e a habilidade ou conhecimento da técnica relevante, estão dentro do escopo da presente invenção.

As modalidades acima descritas

tencionam melhor explicar os modos conhecidos para a prática da invenção e para permitir que os técnicos na área utilizem à invenção em tais, ou outras, modalidades e com várias modificações necessárias pelas aplicações específicas ou

usos da presente invenção. É a intenção que a presente invenção inclua todas as modificações e variações da mesma, dentro do escopo descrito no relatório.

Claims (2)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. PROCESSO DE FERMENTAÇÃO PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL”, compreende um processo de fermentação alcoólica, que utiliza cepas de leveduras floculantes de floculação intensa como biocatalisador e diferentes fontes vegetais contendo sacarose, glicose e/ou frutose como matéria-prima, e o uso de biorreatores do tipo torre ligados em série, tanque de degasagem, decantador e tanque de tratamento de biocatalisador, e é caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

   a) o material contendo sacarose, glicose e/ou frutose, proveniente ou não de unidades de pré-tratamento, é enviado para um tanque provido de um sistema de controle de nível para estabilizar a vazão de alimentação do primeiro biorreator, a concentração de açúcares e vazão desta linha de fluxo é ajustada de acordo com a matéria prima; em que a vazão de alimentação é mantida constante e o nível do tanque de caldo é mantido pela adição de água, quando a vazão de caldo não é suficiente para manter a vazão de mosto;

   b) os biorreatores são alimentados por bombeamento da matéria-prima obtida na etapa (a), pelo fundo do biorreator, com vazão controlada;

   c) o material da etapa b percola pelo leito biocatalítico, formado por células de levedura floculantes em que o material contido no biorreator é bombeado para os trocadores, saindo de um ponto situado a 50% da altura total do mesmo e retornando pelo fundo, junto com a alimentação;

   Petição 870190021312, de 01/03/2019, pág. 8/9
2. 2/2

   d) o dióxido de carbono é eliminado do biocatalisador obtido na etapa (c) por decantação em um tanque agitado;

   e) as partículas de biocatalisador obtidas na etapa (d) são retidas e concentradas em um decantador de uma única bandeja são removidas pelo fundo, enviadas para a unidade de regeneração e o líquido fermentado isento de partículas biocatalíticas é enviado para o tanque pulmão dos aparelhos de destilação;

   f) o biocatalisador é regenerado em um tanque com tempo de retenção entre 0,5 a 4 horas, onde são adicionados água e ar de forma contínua, a taxa de aeração é mantida em uma faixa de 0,1 a 1 vvm, seguido pelo reenvio para o primeiro biorreator de forma contínua em ciclos compreendidos entre 24 a 96 horas;

   g) o biocatalisador obtida na etapa f retorna ao fermentador, e

   h) os gases que deixam os biorreatores são enviados para uma coluna de lavagem de gases e o etanol contido nos gases é recuperado pela água de lavagem a qual retorna para o tanque pulmão dos aparelhos de destilação.