BRPI0801209B1

BRPI0801209B1 - ETHANOL FERMENTATION SYSTEM

Info

Publication number: BRPI0801209B1
Application number: BRPI0801209-1A
Authority: BR
Inventors: Augusto Martins Velloso Antonio; A. Márquez Marco
Original assignee: White Martins Gases Industriais Ltda.
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2017-07-04
Also published as: CN101603003B; CN101603003A; BRPI0801209A2

Abstract

sistema de fermentação de etanol. refere-se a presente invenção a sistemas de fermentação e, mais especificamente, a sistemas de fermentação de etanol em que micro-bolhas de um gás inerte de estripagem, providas por equipamento supersônico de estripagem em linha, são utilizadas para promover a estripagem de dióxido de carbono, compostos de enxofre, etanol e outros compostos voláteis indesejáveis formados durante o processo de fermentação, e o controle de temperatura da reação do processo é auxiliada pela utilização do calor latente do gás inerte de estripagem. é provido um sistema aperfeiçoado para estripar etanol, dióxido de carbono, compostos de enxofre e outros subprodutos indesejáveis tais como formaldeida, glicerina e ácido acético da reação de fermentação, aumentando assim a velocidade de reação do etanol e a produtividade. no sistema, a remoção do calor da reação de fermentação pode ser auxiliada pelo gás de estripagem frio usado para extrair calor através de um ou mais trocadores de calor, o gás inerte de estripagem, tal como nitrogénio ou hélio, é também usado com o equipamento supersônico de estripagem em linha, em uma corrente de reciclo do fermentador para estripar uma porção de etanol, dióxido de carbono, compostos de enxofre e/ou outros materiais subprodutos voláteis que possam estar afetando negativamente o processo de fermentação.ethanol fermentation system. The present invention relates to fermentation systems and more specifically to ethanol fermentation systems in which microbubbles of an inert ripping gas, provided by supersonic inline ripping equipment, are used to promote dioxide ripping. carbon, sulfur compounds, ethanol, and other undesirable volatile compounds formed during the fermentation process, and temperature control of the process reaction is aided by the use of latent heat from the inert ripping gas. An improved system is provided for eviscerating ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds and other undesirable by-products such as formaldehyde, glycerin and acetic acid from the fermentation reaction, thereby increasing ethanol reaction rate and productivity. In the system, heat removal from the fermentation reaction can be aided by the cold ripping gas used to extract heat through one or more heat exchangers, the inert ripping gas, such as nitrogen or helium, is also used with the equipment. supersonic in-line evasion in a fermenter recycle stream to eviscerate a portion of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds and / or other volatile by-products that may be adversely affecting the fermentation process.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVODESCRIPTIVE REPORT

Pedido de Patente de Invenção para “SISTEMA DE FERMENTAÇÃO DE ETANOL”.Patent Application for "ETHANOL FERMENTATION SYSTEM".

CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

Refere-se a presente invenção a sistemas de fermentação e, mais especificamente, a sistemas de fermentação de etanol onde, micro bolhas de um gás inerte provido por equipamento supersônico de estripagem, são usadas para promover a estripagem de dióxido de carbono, compostos sulfuricos, etanol e outros compostos voláteis formados durante o processo de fermentação, e o controle de temperatura da reação do processo é assistida pelo uso do calor latente do gás inerte.This invention relates to fermentation systems and more specifically to ethanol fermentation systems where micro bubbles of an inert gas provided by supersonic ripping equipment are used to promote the ripping of carbon dioxide, sulfur compounds, ethanol and other volatile compounds formed during the fermentation process, and process reaction temperature control is assisted by the use of latent heat from the inert gas.

ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE

Xarope de cana-de-açúcar, em presença de leveduras, aditivos como compostos sulfuricos e as próprias condições de operação, reagem para produzir etanol e dióxido de carbono como os principais produtos do processo de fermentação, de acordo com a seguinte reação exotérmica: Kcal/mol O processo de fermentação de cana-de-açúcar produz várias reações laterais. O conteúdo de sucrose do xarope de cana-de-açúcar é usado como alimento pela levedura. Durante a alimentação da levedura, a sucrose produz diferentes tipos de compostos orgânicos tais como glucose, frutose, triose, ácido glicérico, ácido pirúvico e acetaldeído, nesta sequncia, antes da geração do etanol. Outros sub-produtos que também podem ser formados são formaldeído, ácido acético e ácido isomílico, entre outros, Os compostos sulfuricos inibem o balanço de energia acima mencionado e interrompe a cadeia reacional, na etapa de formação do acetaldeído. Glicerina é então produzida do ácido pirúvico. Este desvio rreacional é indesejável, pois etanol não pode ser produzido da glicerina em tal processo. Dióxido de carbono também reduz a atividade da levedura, comprometendo a produtividade da reação do etanol.Sugarcane syrup, in the presence of yeast, additives such as sulfur compounds and the operating conditions themselves, react to produce ethanol and carbon dioxide as the main products of the fermentation process, according to the following exothermic reaction: Kcal / mol The sugarcane fermentation process produces several side reactions. The sucrose content of sugarcane syrup is used as food by yeast. During yeast feeding, sucrose produces different types of organic compounds such as glucose, fructose, triose, glycolic acid, pyruvic acid and acetaldehyde in this sequence prior to ethanol generation. Other by-products which may also be formed are formaldehyde, acetic acid and isomeric acid, among others. Sulfuric compounds inhibit the above energy balance and disrupt the reaction chain in the acetaldehyde formation step. Glycerin is then produced from pyruvic acid. This reaction shift is undesirable as ethanol cannot be produced from glycerine in such a process. Carbon dioxide also reduces yeast activity, compromising the productivity of the ethanol reaction.

Com o progresso da reação, etanol, dióxido de carbono, compostos sulfuricos e sub-produtos da fermentação como os acima mencionados, tendem a inibir a atividade da levedura e subseqüentemente a taxa de reação do etanol pára ou termina em um ponto onde produz alguns dos sub-produtos acima mencionados e, então, a produtividade de etanol reduz.As the reaction progresses, ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds and fermentation by-products such as those mentioned above tend to inhibit yeast activity and subsequently the reaction rate of ethanol stops or ends at a point where it produces some of the abovementioned by-products and then ethanol productivity reduces.

Como a concentração desses compostos aumenta durante o processo de fermentação, o efeito danoso limita a taxa de produção de etanol e fazem com que a levedura diminua a taxa de produção de etanol. Com a estripagem de uma porção dos produtos formados na reação de fermentação, a produtividade do etanol pode ser aumentada. A remoção de dióxido de carbono, compostos sulfüricos, etanol e outros subprodutos do caldo de fermentação contribui para a otimização da reação do etanol.As the concentration of these compounds increases during the fermentation process, the harmful effect limits the rate of ethanol production and causes yeast to decrease the rate of ethanol production. By disemboweling a portion of the products formed in the fermentation reaction, ethanol productivity can be increased. The removal of carbon dioxide, sulfur compounds, ethanol and other by-products from the fermentation broth contributes to the optimization of the ethanol reaction.

Considerando que a reação de fermentação é uma reação exotérmica, a temperatura do caldo deve ser controlada para impedir a morte dos microorganismos responsáveis pela conversão do açúcar em álcool, contaminando o caldo, e consequentemente, reduzindo a produtividade do processo. Por esta razão, os fermentadores tipicamente possuem uma corrente de reciclo para remover o calor da reação e manter a homogeneidade do caldo e manter os microorganismos em um meio ótimo. Normalmente, um trocador de calor de placa resfriado a água é utilizado com este propósito. Várias técnicas são descritas no estado da técnica que usam um gás para estripar o etanol, dióxido de carbono e outros subprodutos indesejáveis. Taylor e outros (Processo de Secagem-Trituração para Etanol Combustível por Fermentação Contínua e Estripagem, Progresso Biotecnológico (2000), 16(4), 541-547; Cinética de fermentação contínua e estripagem de Etanol, Anotações de Biotecnologia (1998), 20(1), 67-72; Efeitos da concentração de etanol e estripagem. Microbiologia e Biotecnologia Aplicadas (1997), 48(3), 311-316; Controle de falha em coluna empacotada na fermentação contínua e estripagem de etanol. Biotecnologia e Bioengenharia (1996), 51(1), 33-39; Fermentação contínua e estripagem de Etanol. Progresso Biotecnológico (1995), 11(6), 693-8), descrevem o uso de dióxido de carbono como um agente estripador para remover etanol em um ciclo fechado para estripar o etanol, Os benefícios relatados são insignificantes e o dióxido de carbono permanece no estado líquido em níveis saturados. Zhang e outros (Efeitos de diferentes tipos de gases na fermentação de etanol de estripagem de gás (GSEF), Boletim Chinês de Engenharia de Processo, (2005) Vol. 5, No. 3, 349-352), comparam a estripagem de etanol com o uso de diversos gases inertes a uma alta taxa de fluxo e conclui que nitrogênio é a melhor opção. De um modo geral, o foco do estado da técnica é estripar etanol utilizando dióxido de carbono como um gás estripador. O pedido de patente brasileiro número PI 8706443-0, de 30 de novembro de 1987, revela a estripagem de dióxido de carbono usando-se gás nitrogênio como o gás estripador para melhorar a produtividade de etanol. O nitrogênio passa através de um elemento poroso, produzindo bolhas, as quais são injetadas diretamente dentro do caldo. A inconveniência desta solução está relacionada ao tamanho das bolhas e à sua incapacidade de remover satisfatoriamente os sub-produtos indesejáveis da reação.Considering that the fermentation reaction is an exothermic reaction, the broth temperature should be controlled to prevent the death of the microorganisms responsible for converting sugar into alcohol, contaminating the broth, and consequently reducing the process productivity. For this reason, fermenters typically have a recycle stream to remove heat from the reaction and maintain broth homogeneity and keep microorganisms in optimum medium. Typically, a water-cooled plate heat exchanger is used for this purpose. Several techniques are described in the prior art which use a gas to eviscerate ethanol, carbon dioxide and other undesirable by-products. Taylor et al. (Drying-Grinding Process for Ethanol Fuel by Continuous Fermentation and Ripping, Biotechnological Progress (2000), 16 (4), 541-547; Continuous Fermentation Kinetics and Ethanol Ripping, Biotechnology Notes (1998), 20 (1), 67-72; Effects of Ethanol Concentration and Stripping. Applied Microbiology and Biotechnology (1997), 48 (3), 311-316; Packaged Column Failure Control in Continuous Fermentation and Etching, Biotechnology and Bioengineering (1996), 51 (1), 33-39; Continuous Fermentation and Ethanol Ripping Biotechnological Progress (1995), 11 (6), 693-8) describe the use of carbon dioxide as a ripping agent to remove ethanol. in a closed loop to gut ethanol. The reported benefits are negligible and carbon dioxide remains in the liquid state at saturated levels. Zhang et al. (Effects of Different Gas Types on Gas Stripping Ethanol Fermentation (GSEF), Chinese Process Engineering Bulletin, (2005) Vol. 5, No. 3, 349-352), Compare Ethanol Stripping using several inert gases at a high flow rate and concludes that nitrogen is the best option. Generally, the focus of the prior art is to eviscerate ethanol using carbon dioxide as a ripper gas. Brazilian patent application number PI 8706443-0 of November 30, 1987 discloses carbon dioxide ripping using nitrogen gas as the ripping gas to improve ethanol productivity. Nitrogen passes through a porous element, producing bubbles, which are injected directly into the broth. The inconvenience of this solution is related to the size of the bubbles and their inability to satisfactorily remove undesirable by-products from the reaction.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO O objetivo da presente invenção é oferecer um sistema aperfeiçoado para a estripagem de etanol, dióxido de carbono, compostos de enxofre e outros subprodutos tais como formaldeído, glicerina e ácido acético da reação de fermentação, desse modo aumentando a velocidade da reação de etanol e a produtividade. Adicionalmente, de acordo com o sistema proposto, a remoção do calor da reação de fermentação pode ser auxiliada pelo gás estripador frio.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide an improved system for the stripping of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds and other byproducts such as formaldehyde, glycerin and acetic acid from the fermentation reaction, thereby increasing the speed of the reaction of ethanol and productivity. Additionally, according to the proposed system, heat removal from the fermentation reaction can be aided by cold ripper gas.

Estes e outros aspectos da presente invenção são obtidos pelo uso de um gás inerte, tal como nitrogênio ou hélio, juntamente com o equipamento supersônico de estripagem em linha, em uma corrente de reciclo do fermentador para estripar uma porção de etanol, dióxido de carbono, compostos de enxofre e outros materiais subprodutos voláteis que possam estar afetando negativamente o processo de fermentação.These and other aspects of the present invention are obtained by the use of an inert gas, such as nitrogen or helium, together with in-line supersonic ripping equipment, in a fermenter recycle stream to gut a portion of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds and other volatile by-products that may be adversely affecting the fermentation process.

Quando um líquido que está saturado com componentes solúveis é posto em contato com um gás inerte, há um processo de transferência de massa no qual os compostos voláteis difúndem-se da fase líquida para a fase gasosa, de acordo com a lei de Henry. O processo de difusão é orientado de acordo com o gradiente de concentração do componente nos meios líquidos e gasosos, a partir da fase mais concentrada até a fase mais diluída. A taxa de difusão do composto volátil é normalmente o fator limitante no processo de fermentação da presente invenção. A eficiência global do processo em relação à fase líquida depende da taxa de variação da concentração do componente volátil na fase líquida; do coeficiente de transferência de massa; da área interfacial (superfície de contato entre as bolhas de gás e o meio líquido); da concentração do componente volátil na fase líquida, em equilíbrio; da concentração inicial do componente volátil na fase líquida, e da temperatura e pressão de operação. Se o coeficiente de transferência de massa for muito pequeno, a remoção dos componentes voláteis será restrita, o que requer mais tempo ou um consumo elevado de gás nobre, e conseqüentemente mais gastos com insumos para alcançar o nível de especificação requerido.When a liquid that is saturated with soluble components is brought into contact with an inert gas, there is a mass transfer process in which volatile compounds diffuse from the liquid phase to the gas phase, according to Henry's law. The diffusion process is oriented according to the concentration gradient of the component in the liquid and gaseous media, from the most concentrated phase to the most diluted phase. The diffusion rate of the volatile compound is usually the limiting factor in the fermentation process of the present invention. The overall process efficiency in relation to the liquid phase depends on the rate of change of volatile component concentration in the liquid phase; the mass transfer coefficient; the interfacial area (contact surface between the gas bubbles and the liquid medium); the concentration of the volatile component in the liquid phase at equilibrium; the initial concentration of the volatile component in the liquid phase, and the operating temperature and pressure. If the mass transfer coefficient is too small, the removal of volatile components will be restricted, which requires more time or high consumption of noble gas, and consequently more input costs to reach the required specification level.

Em uma temperatura e pressão dadas, a taxa de transferência de massa é governada pelo gradiente de concentração e pela área interfacial de transferência. Como o coeficiente de transferência de massa é uma função da área interfacial, a redução do tamanho das bolhas de gás inerte tende a aumentar a taxa de transferência de massa para uma dada fração de volume de líquido. Quanto menor o tamanho das bolhas de gás, tanto mais dispersas elas ficam no líquido e mais eficiente o processo de purificação, uma vez que tais condições promovem mais contatos entre o componente volátil e as bolhas de gás, assim como a possibilidade de redução do tempo de estripagem.At a given temperature and pressure, the mass transfer rate is governed by the concentration gradient and the interfacial transfer area. Since the mass transfer coefficient is a function of the interfacial area, reducing the size of inert gas bubbles tends to increase the mass transfer rate for a given volume fraction of liquid. The smaller the size of the gas bubbles, the more dispersed they are in the liquid and the more efficient the purification process, as such conditions promote more contacts between the volatile component and the gas bubbles, as well as the possibility of time reduction. of ripping.

De acordo com a presente invenção, o uso do equipamento supersônico de estripagem em linha no processo de fermentação maximiza o processo de transferência de massa mencionado acima, ao mesmo tempo em que promove os benefícios inerentes ao uso de um gás inerte no processo de fermentação. O equipamento supersônico de estripagem em linha (daqui por diante no texto referido como o estripador) gera micro-bolhas de nitrogênio resultando em uma transferência de massa melhorada. Os equipamentos estripadores convencionais, por sua vez, geram bolhas grandes e requerem um uso muito maior de gás nitrogênio para obter resultados comparáveis aos do equipamento supersônico em linha. Usando-se o equipamento supersônico de estripagem em linha para o processo de produção de etanol, o processo de transferência de massa ocorre com a migração dos compostos solúveis indesejáveis tais como dióxido de carbono, etanol, compostos de enxofre e outros subprodutos da mistura de fermentação para dentro das micro-bolhas de nitrogênio.According to the present invention, the use of supersonic in-line ripping equipment in the fermentation process maximizes the above mentioned mass transfer process while promoting the benefits inherent in the use of an inert gas in the fermentation process. Supersonic inline ripping equipment (hereinafter referred to as the ripper) generates nitrogen microbubbles resulting in improved mass transfer. Conventional ripper equipment, in turn, generates large bubbles and require much greater use of nitrogen gas to achieve comparable results to in-line supersonic equipment. Using supersonic in-line ripping equipment for the ethanol production process, the mass transfer process occurs with the migration of undesirable soluble compounds such as carbon dioxide, ethanol, sulfur compounds and other byproducts of the fermentation mixture. into the nitrogen bubbles.

DESCRIÇÃODESCRIPTION

Após ser colhida, a cana-de-açúcar é levada para a unidade de produção de álcool e açúcar. Lá, ela é lavada e triturada, e a fração líquida é eventualmente tratada com compostos de enxofre para ser clareada e para eliminar microorganismos indesejáveis que possam promover processos de infecção, Em termos genéricos, dependendo da demanda do mercado, parte da fração líquida é distribuída à fábrica de produção de açúcar e a quantidade restante é bombeada para a unidade de produção de etanol.After being harvested, the sugarcane is taken to the sugar and alcohol production unit. There it is washed and crushed, and the liquid fraction is eventually treated with sulfur compounds to be lightened and to eliminate undesirable microorganisms that may promote infection processes. Generally, depending on market demand, part of the liquid fraction is distributed. to the sugar factory and the remaining amount is pumped to the ethanol production unit.

Na unidade de produção de etanol, o processo de fermentação de xarope de cana-de-açúcar ocorre para gerar etanol. O processo usa levedura para propagar a reação de formação de etanol. Uma das leveduras mais comumente aplicadas à fermentação de etanol é a saccharomyces cerevisiae. Em alguns casos, a levedura é pré-tratada com ácido sulfúrico para reduzir sua alcalinidade, O xarope é misturado com a levedura em recipientes cilíndricos, chamados fermentadores, onde ocorre a reação de fermentação.At the ethanol production unit, the sugarcane syrup fermentation process takes place to generate ethanol. The process uses yeast to propagate the ethanol formation reaction. One of the yeasts most commonly applied to ethanol fermentation is saccharomyces cerevisiae. In some cases, the yeast is pretreated with sulfuric acid to reduce its alkalinity. The syrup is mixed with the yeast in cylindrical containers, called fermenters, where the fermentation reaction occurs.

Para gerar micro-bolhas, o gás nitrogênio e o líquido são postos em contato na entrada do equipamento supersônico de estripagem em linha. O fluxo de duas fases (mistura de fermentação da bomba de recirculação de caldo, mais nitrogênio) atinge uma velocidade supersônica na seção Venturi do estripador (aproximadamente 15 m/s) e em função dos efeitos relacionados ao projeto do equipamento, o nitrogênio forma micro-bolhas. Uma vez tendo micro-bolhas, para uma dada fração de volume líquida, o processo de transferência de massa é maximizado. Uma vez atingido o recipiente de fermentação, o fluxo de duas fases sofre uma partição: a fração gasosa (nitrogênio mais dióxido de carbono estripado, compostos de enxofre, etanol, outros subprodutos e conteúdo em água) é dirigida da parte superior do fermentador para dentro da tubulação central de coleta de gás da unidade de fermentação, enquanto que a fração líquida cai de volta ao recipiente de fermentação. Após deixar o fermentador, essa corrente gasosa é adicionalmente lavada com água em contra corrente em um lavador, a corrente gasosa, contendo principalmente dióxido de carbono e nitrogênio, é liberada na atmosfera. A corrente líquida (parte inferior do lavador), com etanol, água, material não fermentado e resíduos de subprodutos, vai para a unidade de destilação onde o etanol é recuperado. O fluxo de nitrogênio gasoso no processo pode ser suprido por meio de um tanque de armazenamento de nitrogênio líquido criogênico, de uma membrana, de uma PSA (Adsorção por Variação de Pressão), ou por outros meios. Quando o nitrogênio é suprido como um líquido criogênico, é necessário usar vaporizadores atmosféricos para suprir nitrogênio em uma forma gasosa.To generate microbubbles, nitrogen gas and liquid are contacted at the inlet of the supersonic in-line ripping equipment. The two-phase flow (broth recirculation pump fermentation mixture plus nitrogen) reaches a supersonic velocity in the Ripper Venturi section (approximately 15 m / s) and due to the design-related effects of the equipment, nitrogen forms micro -Bubbles. Once having bubbles, for a given fraction of liquid volume, the mass transfer process is maximized. Once the fermentation vessel is reached, the two-phase flow is partitioned: the gas fraction (nitrogen plus gutted carbon dioxide, sulfur compounds, ethanol, other by-products and water content) is directed from the top of the fermenter inwards. from the central gas collection pipe of the fermentation unit, while the liquid fraction falls back into the fermentation vessel. After leaving the fermenter, this gaseous stream is additionally flushed with countercurrent water in a washer, the gaseous stream containing mainly carbon dioxide and nitrogen is released into the atmosphere. The liquid stream (bottom of the washer), with ethanol, water, unfermented material and by-product residues, goes to the distillation unit where ethanol is recovered. Gaseous nitrogen flow in the process can be supplied by means of a cryogenic liquid nitrogen storage tank, a membrane, a pressure variation adsorption (PSA), or other means. When nitrogen is supplied as a cryogenic liquid, it is necessary to use atmospheric vaporizers to supply nitrogen in a gaseous form.

Para ilustrar os benefícios da presente invenção, testes foram realizados utilizando-se o equipamento supersônico de estripagem em linha no processo de fermentação de etanol utilizando nitrogênio como o gás inerte. Esses testes incluíram a comparação com o modo de operação padrão, isto é, sem estripagem.To illustrate the benefits of the present invention, tests were performed using supersonic in-line ripping equipment in the ethanol fermentation process using nitrogen as the inert gas. These tests included comparison with the standard mode of operation, ie without ripping.

Os testes foram realizados em dois fermentadores. Esses fermentadores serão referidos daqui por diante como o Fermentador de Teste (com N2) e o Fermentador de Controle (sem N2), ambos os quais são fechados. A corrente de gás que deixa o fermentador contendo resíduos de etanol é introduzida em um lavador onde é lavada com água antes de liberar a corrente de gás na atmosfera. Cada fermentador possui as mesmas dimensões e capacidades nominais, isto é, 400 m3. Esses fermentadores têm também um sistema de re-circulação de líquido refrigerante, através de um trocador de calor de placa que usa a água como um meio refrigerante. O Fermentador de Controle não tinha estripador nem usava nitrogênio. No Fermentador de Teste, utilizando-se o nitrogênio como um gás de estripagem, o estripador supersônico em linha foi instalado em uma tubulação de saída de reciclo. Essa linha de reciclo poderia ser uma nova linha de reciclo independente com uma outra bomba para fornecer a mistura de fermentação ao estripador supersônico em linha, ou o já existente, imediatamente após da saída do refrigerante do trocador de placa, imediatamente antes do final do reciclo da mistura de fermentação ter retomado para o recipiente de fermentação.The tests were performed in two fermenters. These fermenters will be referred to hereafter as the Test Fermenter (with N2) and the Control Fermenter (without N2), both of which are closed. The gas stream leaving the fermenter containing ethanol residues is introduced into a washer where it is flushed with water before releasing the gas stream into the atmosphere. Each fermenter has the same dimensions and nominal capacities, ie 400 m3. These fermenters also have a refrigerant recirculation system through a plate heat exchanger that uses water as a refrigerant. The Control Fermenter had no ripper and no nitrogen. In the Test Fermenter, using nitrogen as a ripping gas, the in-line supersonic ripper was installed in a recycle outlet pipe. This recycle line could be a new standalone recycle line with another pump to provide the fermentation mixture to the existing or existing supersonic ripper immediately after the plate changer refrigerant exits immediately prior to the end of the recycle. the fermentation mixture has returned to the fermentation vessel.

Como pode ser observado na Figura 1, o uso do estripador e de um gás inerte como um agente estripador pode aumentar a produtividade de etanol em valores de 2 a 12%. Presumindo-se um incremento de 2% na produtividade para fábricas de etanol de tamanho pequeno, grande e médio, este aumento de 2% representa um importante benefício econômico resultante do efeito multiplicador pelo volume de produção. Dependendo do tamanho da fábrica, a produção adicional (Mm3 / ano) pode variar entre 1 e 7, representando um benefício devido à produção adicional de etanol da ordem de aproximadamente meio milhão até aproximadamente três milhões de dólares por ano. A quantidade de etanol e de dióxido de carbono na fase gasosa, na seção superior do recipiente de fermentação, é aumentada enquanto interage com nitrogênio como resultado do efeito de estripagem. Para o recipiente de fermentação operando com injeção de nitrogênio, o gás de saída conteúdo etanol residual ficou na faixa de 0,8-1,2 %v/v. Para o recipiente de controle (operando sem nitrogênio), a mesma variável ficou na faixa de 0,1-0,4 %v/v. Este etanol da fase gasosa é recuperado com a lavagem com água e tipicamente retoma ao processo. O líquido no recipiente do fermentador com injeção de nitrogênio é pobre em etanol e em dióxido de carbono em comparação ao sem injeção de nitrogênio, que tende a compensar a deficiência produzindo mais etanol e dióxido de carbono. A acidez da mistura de fermentação foi também reduzida com a aplicação de nitrogênio. Para o recipiente de teste, operando com o estripador, a acidez média da mistura foi de 4,8. Sem a aplicação de nitrogênio, a acidez média da mistura de fermentação foi de 5,4.As can be seen from Figure 1, the use of the ripper and an inert gas as a ripping agent can increase ethanol productivity by 2 to 12%. Assuming a 2% increase in productivity for small, large and medium size ethanol plants, this 2% increase represents an important economic benefit resulting from the multiplier effect by production volume. Depending on the size of the factory, additional production (Mm3 / year) can range from 1 to 7, representing a benefit due to additional ethanol production of about half a million to about $ 3 million a year. The amount of ethanol and carbon dioxide in the gas phase in the upper section of the fermentation vessel is increased while interacting with nitrogen as a result of the ripping effect. For the fermentation vessel operating with nitrogen injection, the waste gas residual ethanol content was in the range 0.8-1.2% v / v. For the control vessel (operating without nitrogen), the same variable was in the range 0.1-0.4% v / v. This gas phase ethanol is recovered by washing with water and typically resumes the process. The liquid in the nitrogen-injected fermenter container is low in ethanol and carbon dioxide compared to no nitrogen injection, which tends to compensate for the deficiency by producing more ethanol and carbon dioxide. The acidity of the fermentation mixture was also reduced with nitrogen application. For the test vessel operating with the ripper, the average acidity of the mixture was 4.8. Without nitrogen application, the average acidity of the fermentation mixture was 5.4.

Os testes mostraram um ganho de 2-12% de capacidade do etanol para o recipiente de fermentação que operava com o estripador em linha mais nitrogênio, devido principalmente à remoção de compostos de dióxido de carbono e enxofre. Estima-se que o ganho de capacidade do etanol ficará provavelmente na faixa de 2-6%.The tests showed a 2-12% ethanol capacity gain for the fermentation vessel that operated with the most nitrogen in-line ripper, mainly due to the removal of carbon dioxide and sulfur compounds. It is estimated that ethanol capacity gain is likely to be in the range of 2-6%.

Como mencionado, no processo de fermentação de etanol, o padrão é a utilização de um ciclo de reciclo externo para remover o calor de reação exotérmica, utilizando-se um trocador de calor refrigerado a água, tipicamente um trocador de calor do tipo com placa. 0 controle da temperatura de fermentação em aproximadamente 30-35°C é crucial para o processo, para prevenir a desativação de levedura, ciclos de fermentação mais demorados, e perda de produtividade.As mentioned, in the ethanol fermentation process, the standard is to use an external recycle cycle to remove exothermic reaction heat using a water-cooled heat exchanger, typically a plate-type heat exchanger. Controlling the fermentation temperature at approximately 30-35 ° C is crucial to the process to prevent yeast deactivation, longer fermentation cycles, and loss of productivity.

Com base nisso, um outro aspecto da presente invenção relaciona-se ao .controle da temperatura do processo. De acordo com o sistema proposto, o nitrogênio para a estripagem pode ser suprido ao processo de etanol como nitrogênio líquido em baixa temperatura, dependendo da tolerância do processo à temperatura (por ex., devido a limitações metalúrgicas ou microbiológicas). Desta forma, parte do calor latente do nitrogênio pode ser utilizada para auxiliar o balanço de calor no processo de fermentação. Dependendo também do material de construção do sistema (material da tubulação), gás nitrogênio em baixa temperatura podería transferir calor tanto à água de refrigeração por troca de calor indireta ou diretamente ao caldo de fermentação. A Figura 2 apresenta um esquema do sistema objeto da presente invenção. Com este conceito, o calor latente do nitrogênio pode ser recuperado para resfriar indiretamente a água utilizada para remover o calor do processo de fermentação. A temperatura do nitrogênio usado para resfriar indiretamente a água pode ser ajustada controlando-se a taxa de fluxo através do vaporizador de produto para adequar-se a quaisquer restrições materiais. Isto pode contribuir para a economia do processo global. Dependendo das restrições de material para processar fluidos criogênicos, o uso do vaporizador de nitrogênio pode ser minimizado, desse modo maximizando a recuperação de calor. A Figura 2 apresenta um exemplo das diferentes maneiras de transferir calor de acordo com a presente invenção. Uma outra maneira de se utilizar o calor latente da corrente de nitrogênio fria é enviando diretamente nitrogênio frio à corrente de fermentação através da linha descontínua mostrada na Figura 2. Nesse caso, a tolerância da levedura a baixas temperaturas deve ser avaliada com cautela.Based on this, another aspect of the present invention relates to process temperature control. According to the proposed system, nitrogen for ripping can be supplied to the ethanol process as low temperature liquid nitrogen, depending on the process tolerance to temperature (eg due to metallurgical or microbiological limitations). In this way, some of the latent heat of nitrogen can be used to aid heat balance in the fermentation process. Depending also on the system building material (pipe material), low temperature nitrogen gas could transfer heat either to the indirect heat exchange cooling water or directly to the fermentation broth. Figure 2 shows a schematic of the system object of the present invention. With this concept, the latent heat of nitrogen can be recovered to indirectly cool the water used to remove heat from the fermentation process. The temperature of nitrogen used to indirectly cool water can be adjusted by controlling the flow rate through the product vaporizer to suit any material constraints. This can contribute to the overall process economy. Depending on material constraints for processing cryogenic fluids, the use of nitrogen vaporizer can be minimized, thereby maximizing heat recovery. Figure 2 shows an example of the different ways to transfer heat in accordance with the present invention. Another way to use latent heat from the cold nitrogen stream is to send cold nitrogen directly to the fermentation stream through the discontinuous line shown in Figure 2. In this case, the tolerance of yeast at low temperatures should be carefully evaluated.

Com referência à Figura 2, o fermentador (1) é parte de uma planta de etanol. Tal fermentador (1) pode operar em batelada ou em modo contínuo, e em ambos os casos, é equipado com um ciclo de reciclo que é feito para remover parte do calor da reação e manter a temperatura ideal no recipiente. O ciclo de reciclo consiste tipicamente em uma bomba (2) e um trocador de calor (3), utilizando água como líquido refrigerante. O líquido quente que vem do fundo do fermentador (1) através da linha (a) é bombeado pela bomba (2) e através da linha (b) resfriado no trocador de calor (3) e através da linha (c) reciclado de volta ao fermentador (1) através da linha (d).Referring to Figure 2, the fermenter (1) is part of an ethanol plant. Such a fermenter (1) can operate in batch or continuous mode, and in both cases it is equipped with a recycle cycle that is made to remove part of the reaction heat and maintain the ideal temperature in the container. The recycling cycle typically consists of a pump (2) and a heat exchanger (3) using water as the coolant. Hot liquid coming from the bottom of the fermenter (1) through line (a) is pumped by pump (2) and through line (b) cooled into the heat exchanger (3) and through line (c) recycled back to the fermenter (1) through line (d).

De acordo com um aspecto da presente invenção, um equipamento supersônico de estripagem em linha (6) é incorporado no ciclo de reciclo para remover componentes indesejáveis da fase líquida que possam tomar lenta a reação de fermentação tais como dióxido de carbono, etanol, formaldeído, ácido acético, etc. Em alguns casos, como mostrado na Figura 3, uma corrente de reciclo separada pode ser incorporada para o estripador utilizando-se uma outra bomba (20) para manter o sistema independente. A estripagem é realizada utilizando-se um gás inerte como o nitrogênio. Com referência à Figura 2, nitrogênio líquido a -186°C proveniente do tanque (4) através da linha (e) é convertido em gás utilizando-se o vaporizador (5), o qual é projetado para trocar calor com o ambiente circundante, para vaporizar o nitrogênio líquido até a temperatura de operação desejada (por ex., temperatura ambiente). O nitrogênio gasoso entra no equipamento supersônico de estripagem em linha (6) através das linhas (f), (g) e (h), onde é posto em contado com a corrente de fermentação líquida presente na linha (c). A mistura de gás-líquido se desfaz no topo do reator através da linha (d). O líquido estripado retoma ao fermentador (1), e a mistura de gases, essencialmente nitrogênio, dióxido de carbono, etanol e resíduos dos componentes indesejáveis, deixam o fermentador (1) através da linha (i) e é tratada abaixo em um lavador (não mostrado) onde o etanol na corrente de gás é lavado e recuperado na corrente aquosa.According to one aspect of the present invention, a supersonic in-line ripping equipment (6) is incorporated into the recycling cycle to remove undesirable liquid phase components that may slow the fermentation reaction such as carbon dioxide, ethanol, formaldehyde, acetic acid, etc. In some cases, as shown in Figure 3, a separate recycle stream may be incorporated into the ripper using another pump (20) to keep the system independent. Ripping is performed using an inert gas such as nitrogen. Referring to Figure 2, liquid nitrogen at -186 ° C from tank (4) through line (e) is converted to gas using the vaporizer (5), which is designed to exchange heat with the surrounding environment, to vaporize liquid nitrogen to the desired operating temperature (eg ambient temperature). Gaseous nitrogen enters the supersonic in-line ripping equipment (6) through lines (f), (g) and (h), where it is counted with the liquid fermentation stream present in line (c). The gas-liquid mixture crumbles at the top of the reactor through line (d). The eviscerated liquid returns to the fermenter (1), and the mixture of gases, essentially nitrogen, carbon dioxide, ethanol and undesirable component residues, leaves the fermenter (1) through line (i) and is treated below in a washer ( not shown) where ethanol in the gas stream is washed and recovered in the aqueous stream.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, para o controle de calor da reação, parte do calor latente do nitrogênio líquido é recuperada e utilizada para auxiliar o processo de resfriamento. Existem diversas maneiras de recuperar o calor do nitrogênio líquido. Na referida Figura 2 são ilustradas duas dentre as diversas possibilidades. O conceito fundamental se baseia na manipulação de válvulas (7), (8), (9) e (10), para controlar a quantidade de nitrogênio líquido que vai para o vaporizador. Uma forma de auxiliar o meio de resfriamento é transferindo-se calor indiretamente à água de refrigeração utilizada nos trocadores de calor (11) e (3). Parte do nitrogênio líquido que normalmente iria para o vaporizador (5) é desviada para o trocador de calor (11) através das linhas (1) e (k), e então fornecida através das linhas (n) e (h) ao estripador supersônico em linha (6) em uma temperatura adequada (por ex., 30-35°C). Ao se fazer isso, parte do calor latente do nitrogênio pode ser utilizada para resfriar a água de refrigeração vinda da seção de utilidades através da linha (j) e para dentro do trocador de calor (11). Uma outra possibilidade é operar o vaporizador (5) de maneira que o gás frio possa ser utilizado diretamente em contato com o caldo de fermentação na corrente de reciclo. Para fazer isso, a válvula (10) seria fechada de modo que uma porção do nitrogênio líquido fluiría através do vaporizador (5) e o gás resultante fluiría através das linhas (f) unindo-se à porção de fluido fluindo através das linhas (e), (1) e (m) para formar uma corrente combinada que flui através de (g) e (h) para o estripador. Nesse caso, um controle rígido da temperatura e um estudo microbiológico são necessários para assegurar que o nitrogênio frio não afete a vida e/ou a atividade da levedura, por ex., choque térmico resultante do contato de nitrogênio frio com os microorganismos.According to another aspect of the present invention, for reaction heat control, part of the latent heat of liquid nitrogen is recovered and used to assist the cooling process. There are several ways to recover heat from liquid nitrogen. In Figure 2, two of the various possibilities are illustrated. The fundamental concept is based on the manipulation of valves (7), (8), (9) and (10) to control the amount of liquid nitrogen going into the vaporizer. One way to assist the cooling medium is by transferring heat indirectly to the cooling water used in the heat exchangers (11) and (3). Part of the liquid nitrogen that would normally go to the vaporizer (5) is diverted to the heat exchanger (11) through lines (1) and (k), and then supplied through lines (n) and (h) to the supersonic ripper. inline (6) at a suitable temperature (eg 30-35 ° C). In doing so, some of the latent nitrogen heat can be used to cool the cooling water from the utility section through line (j) and into the heat exchanger (11). Another possibility is to operate the vaporizer (5) so that the cold gas can be used directly in contact with the fermentation broth in the recycle stream. To do this, the valve (10) would be closed so that a portion of the liquid nitrogen would flow through the vaporizer (5) and the resulting gas would flow through the lines (f) joining the fluid portion flowing through the lines (e ), (1) and (m) to form a combined stream flowing through (g) and (h) to the ripper. In this case, strict temperature control and microbiological study are necessary to ensure that cold nitrogen does not affect yeast life and / or activity, eg, thermal shock resulting from cold nitrogen contact with microorganisms.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Ethanol fermentation system using an inert stripping gas to evacuate a portion of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds or other undesirable volatile by-products from the fermentation broth, and to assist in the removal of heat from the fermentation reaction. The ethanol fermentation system comprising: a fermenter (1) operating in both batch and continuous modes; a recycle loop to recirculate a portion of the fermentation broth and to remove part of the heat from the fermentation reaction; supersonic in-line ripping equipment (6) disposed in the recycling cycle to promote the ripping of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds or other undesirable volatile by-products from the fermentation broth using inert ripping gas; and a means of controlling the flow of inert gas from liquid and gaseous ripping from a cryogenic storage tank (4) to a heat exchanger and in-line ripping equipment (6).

System according to Claim 1, characterized in that the recycling cycle includes a pump (2) and a heat exchanger (3), which uses cold water as a refrigerant, and a flow of inert gas from the tank. cryogenic storage can be used to cool cold water.

System according to Claim 1 or 2, characterized in that the means for controlling the flow of inert gas of the ripping comprises, a vaporizer (5) connected to the cryogenic storage tank for vaporizing a portion of the liquid inert gas of the ripping into a gas. gaseous ripping gas, and a plurality of valves (7), (8), (9) and (10) for controlling the flows of the liquid ripping inert gas and the gas ripping inert gas to the recycle cycle.

A system according to claim 1 or 3, characterized in that said inert gas of ripping is nitrogen or helium and the supersonic inline ripping equipment (6) creates microbubbles of the inert gas of ripping in the recirculating fermentation broth.

A system according to claim 1 or 4, characterized in that said inert disembarking gas is preferably nitrogen.

System according to Claim 1 or 4, characterized in that said supersonic in-line ripping equipment (6) is arranged in the recycling cycle immediately after the heat exchanger output current (3).

System according to claim 1 or 2, characterized in that the recycle cycle includes an independent recycle stream incorporating a pump (20);

System according to claim 1 or 7, characterized in that said supersonic in-line ripping equipment (6) is disposed in the independent recycle stream immediately after the pump (20).

System according to Claim 1, characterized in that part of the latent heat of the inert gas is used to assist the removal of heat from the fermentation reaction by heat transfer from the inert gas to the cooling water. or from the liquid disemboweling inert gas and / or the gas disembedding inert gas directly to the recirculating fermentation broth.

System according to Claim 3, characterized in that the latent heat of the liquid inert gas of the ripping gas is recovered to cool the cooling water used to remove the heat from the reaction based on valve handling (7), (8), ( 9) and (10) for controlling the amount of liquid ripping inert gas going to the vaporizer (5).

A system according to claim 3, characterized in that the liquid inert gas stripping is vaporized in a gaseous form and that the cold inert gas stripping gas is used directly to cool the fermentation broth in the recycling cycle.

12. Method for gutting a portion of ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds or other undesirable volatile by-products from a fermentation broth to increase fermentation productivity and to assist in the removal of heat from the fermentation reaction, the method being characterized. comprising the steps of: recirculating a portion of the fermentation broth to a recycle cycle and removing part of the heat generated by the fermentation reaction; stripping ethanol, carbon dioxide, sulfur compounds or other undesirable volatile by-products from the fermentation broth in the recycling cycle using supersonic in-line ripping equipment (6); and controlling the flow of inert gas from a cryogenic storage tank (4) to a heat exchanger used to indirectly cool the recirculating fermentation broth and to the inline (6) ripping equipment (6). flow of the inert gas of ripping in both liquid and gaseous forms.