ES2337418T3 - Metodo para la produccion de bioetanol y para la coproduccion de energia a partir de un material de inicio de un vegetal amilaceo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la producción de bioetanol y para la coproducción de energía a partir de una materia prima vegetal (MPV) amilácea, caracterizado por el hecho de que comprende al menos las siguientes etapas sucesivas consistentes en: - A)-B) obtener, a partir de todo o parte de la materia prima vegetal amilácea (MPV), una mezcla fermentada (MF); - C1) separar mediante filtración y prensado, la fase líquida (PL) y la fase sólida (PS) de la mezcla fermentada (MF), de tal modo que la proporción en peso de los sólidos de dicha fase sólida (PS) está comprendida entre aproximadamente 40% y aproximadamente 45%; - D) destilar, al menos en parte, dicha fase líquida (PL) de la mezcla fermentada (MF) con la finalidad de obtener etanol y vinaza ligera (VL); - E1) producir, utilizando toda dicha vinaza ligera (VL), gas metano (F1), que constituye un primer combustible para la coproducción de energía; Y por el hecho de que, previamente a dicha etapa (C1) de separación, el procedimiento comprende: - una etapa durante la cual el pH de la mezcla fermentada (MF) se incrementa con la finalidad de llevarlo a un valor de entre aproximadamente 5.5 y aproximadamente 6.5; - y una etapa durante la cual se agrega un adyuvante (ADJ) de filtración a la mezcla fermentada (MF).
Description
Método para la producción de bioetanol y para la
coproducción de energía a partir de un material de inicio de un
vegetal amiláceo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la producción de bioetanol y para la coproducción
de energía a partir de una materia prima vegetal.
El objetivo de la invención es, en particular,
producir a una escala industrial, bioetanol a partir de vegetales
amiláceos o que contienen almidón con cogeneración o coproducción de
energía usando la biomasa de la planta o vegetal, justo como la
producción de bioetanol a partir de caña de azúcar, la cual usa el
bagazo de la planta.
Este procedimiento puede usarse no únicamente en
nuevas destilerías de bioetanol, sino también en destilerías
existentes, adaptando las vegetales existentes.
Entre los varios procedimientos para producir
bioetanol a partir de materia prima vegetal, se encuentran tres
grupos: a) recursos sacaríferos, tal como la remolacha de azúcar,
tallos dulces tal como la caña de azúcar o sorgo, frutas, b)
recursos amiláceos tales como granos de maíz o trigo, y c) y
recursos lignocelulósicos.
Dependiendo de la materia prima vegetal, el
procedimiento para producir bioetanol comprende en general tres
grupos de operaciones principales, es decir, consecutivamente A) la
preparación de un mosto, luego B) la fermentación del mosto con la
finalidad de obtener un mosto fermentado, y D) la destilación del
mosto fermentado con la finalidad de la producción de bioetanol.
Es posible agregar a estos tres grupos de
operaciones principales, un cuarto grupo general E) de operaciones
que comprende varios tratamientos de los coproductos que resultan de
cada uno de estos tres grupos de operaciones principales.
El conjunto de operaciones A) para preparar el
mosto tienen el objetivo de preparar una pasta o un mosto que
comprende materia prima vegetal capaz de ser fermentada, es decir,
una solución acuosa de azucares que pueden fermentarse por
levaduras, con el propósito de obtener una concentración tan alta
como sea posible para reducir las capacidades de lod equipos
necesarios para la preparación del mosto y para las otras
operaciones subsiguientes, mientras que al mismo tiempo se toma en
cuenta la limitación de la producción posible de inhibidores de la
fermentación.
En el caso de producción a partir de recursos
sacaríferos, la etapa especifica de preparación del mosto consiste
en la extracción de la sacarosa, por ejemplo mediante prensado, o
lavado con agua caliente según técnicas conocidas para obtener
directamente un mosto altamente fermentable.
En el caso de la producción a partir de recursos
amiláceos o que contienen almidón, es necesario, generalmente,
convertir primero el grano a azúcar soluble y fermentable, por
ejemplo, según las técnicas de conversión de almidón las cuales
son, por ejemplo, conocidas en la industria de la producción de
almidón, o también según las técnicas de "procesos ácidos".
La fermentación B) se basa en la actividad de
microorganismos, el metabolismo fermentativo de los cuales resulta
en su oxidación incompleta a etanol y CO2.
Los niveles de rendimiento de las operaciones de
fermentación dependen esencialmente del microorganismo usado (o de
los microorganismos usados), del medio de cultivo sobre el cual
actúan los microorganismos y del procedimiento usado. El
rendimiento en términos de alcohol, o etanol, depende del control de
estos varios parámetros.
Esencialmente son levaduras las que se usan de
manera industrial para la producción de bioetanol.
La composición del medio de cultivo, que usa el
mosto, tiene esencialmente como objetivo proporcionar el
microorganismo usado en las condiciones óptimas para su metabolismo
y la producción que éste demanda.
Las tecnologías de fermentación usadas son
diversas y conocidas, y el progreso en el campo de la fermentación
tiene esencialmente como objetivo mejorar el
costo-efectividad general de las mismas, ambos en
términos productividad y velocidad de conversión, haciendo uso, por
ejemplo, de levaduras, enzimas específicas, etc.
Para obtener una mezcla fermentada (MF) a partir
de materia prima de un vegetal (MPV), las etapas u operaciones A) y
B) pueden agruparse juntas y/o remplazarse por otros procedimientos
para producir una mezcla fermentada
(MF).
(MF).
\newpage
Las técnicas de destilación D) usadas son ellas
mismas también enteramente conocidas, por ejemplo, aquellas usadas
en la destilación de soluciones alcohólicas, y difieren entre sí
únicamente en virtud del esquema de destilación y la optimización
de los balances de energía en correlación con las necesidad de
energía de cada operación.
Sin embargo, se recordará que el coste de
destilación está directamente ligado al contenido de etanol, a la
calidad del producto destilado y los consumos de energía, y que por
lo tanto, son necesarios esfuerzos constantes para tener un mosto
fermentado con un alto contenido de etanol.
Las diferentes operaciones E) para tratar los
coproductos que resultan de los tres grupos de operaciones
principales descritos anteriormente tienen un impacto considerable,
en ambos términos, en la economía de los diferentes procedimientos
de producción de bioetanol, y en términos de los aspectos
"ambientales".
Cualquiera que sea el recurso de materia prima
vegetal usado, todos los procedimientos resultan en la producción
de CO2 y de biomasa, como coproductos.
En el caso de un procedimiento basado en
recursos sacaríferos, por ejemplo a base de caña de azúcar o de
remolacha de azúcar, la glucosa contenida en la planta, la cual se
obtiene moliendo o triturando o lavando con agua caliente, es
directamente fermentable y las vinazas derivadas de la fermentación
son ricas en materiales orgánicos (+/- 80%) y en materiales
minerales (+/- 20%) los cuales tienen problemas para su
eliminación.
En el caso de la caña de azúcar, el bagazo, que
constituye la biomasa que permanece en los molinos después de la
extracción del mosto de azúcar, puede ser quemado para la
coproducción de energía y su combustión cubre las necesidades de
calor y electricidad de las unidad de producción de bioetanol,
debido al valor calorífico de este tipo de biomasa.
En el caso de un procedimiento basado en
recursos amiláceos, el almidón contenido en el grano debe
convertirse primero en azúcar (s) fermentable, por ejemplo,
implementando el procedimiento enzimático, el procedimiento ácido o
el procedimiento a base de malta.
De esta manera, la vinaza "cruda" obtenida
después de la destilación comprende esencialmente agua y biomasa con
levaduras producidas durante la fermentación. La digestibilidad hace
posible hacer en particular un suplemento nutricional a partir de
estas.
Así, después de la separación de la fracción
sólida de la vinaza, por ejemplo mediante centrifugación y después
mediante deshumidificación y concentración de la fracción líquida de
la vinaza, se obtiene el producto "DDGS" (Grano Secado en
Destilador con Soluble), que se usa en particular para alimentación
animal.
La vinaza también puede utilizarse para la
producción de agentes de fertilización, o incluso puede convertirse
en energía.
Se han hecho intentos para quemar la vinaza
después de la concentración, o enviándola a reactores para producir
gas metano.
Sin embargo, los problemas técnicos encontrados
- tales como, por ejemplo, la obstrucción o bloqueo de los tubos de
la caldera - no han hecho posible que tales tipos de tratamientos de
la vinaza se implementen de manera efectiva en coste a escala
industrial.
Todos los procedimientos conocidos para producir
bioetanol a partir de vegetales almidonados y azucarados exhiben de
esta manera, un balance económico y en particular un balance de
energía, que aún son insuficientes, y también un balance ambiental
muy negativo.
Se ha propuesto un procedimiento para producir
alcohol combustible a partir de vegetales fermentados "sin
vinaza" en el documento
US-A-4.337.123 de 1982.
Este procedimiento propone, después de la
fermentación y antes de la destilación, implementar un tratamiento
durante el cual varias sustancias contenidas en el mosto fermentado
se eliminan en una manera tal que los medios de destilación son
alimentados con un mosto "purificado" de manera que la etapa de
destilación produce únicamente alcohol y no produce vinaza.
El procedimiento descrito en este documento hace
uso, de esta manera, de un tratamiento mediante precipitación
química, en particular, mediante la adición de un agente de
floculación, y luego de una operación de decantación.
Un procedimiento tal es particularmente complejo
de implementar y es costoso, y en particular, no proporciona un
balance de energía favorable mientras que al mismo tiempo requiere
el uso de nuevos productos adicionales para obtener la precipitación
química.
El balance de energía desfavorable es, en
particular, debido al hecho de que todos los productos sólidos
separados por decantación comprenden una proporción de sólidos que
es altamente insuficiente para que su combustión subsiguiente sea
de rendimiento suficiente, es decir, las operaciones de secado antes
de esta combustión requieren la entrada de una cantidad demasiado
grande de energía fósil externa. En otras palabras, el contenido de
agua de todos los productos "sólidos" separados por
decantación (o en fase sólida) es demasiado alto para que el
procedimiento tenga un balance de energía satisfactorio.
El documento
EP-A2-0-048.061 de
1981, propone un procedimiento y un aparato para tratar la vinaza en
el contexto de un procedimiento general para producir alcohol a
partir de caña de azúcar, con la finalidad de optimizar el balance
de energía total del procedimiento de producción de alcohol.
Este procedimiento propone concentrar los
sólidos y materiales solubles contenidos en la vinaza, y entonces
mezclarlos con la finalidad de obtener vapor que se vuelve a
utilizar en varias formas, en particular, en el procedimiento para
producir alcohol.
La combustión de la vinaza concentrada es muy
difícil y debe llevarse a cabo en calderas que son muy complejas y
costosas, similares a las calderas que se usan en la industria de la
celulosa para quemar el licor negro concentrado.
En el documento
W0-A1-2004/113549 se han propuesto
procedimientos para producir etanol y metano a partir de biomasa,
cuyos niveles de rendimiento son mejorados controlando y modificando
los parámetros de la biomasa usada. Uno de los procedimientos
consiste, como una variación, antes de la fermentación o de la
destilación, en separar de la biomasa las proteínas presentes en
ella, y también el afrecho que pudiese contener.
La presente invención tiene como objetivo
proponer un nuevo procedimiento para la producción de bioetanol y
para la coproducción de energía, a partir de materia prima de un
vegetal amiláceo o que contiene almidón, y que se caracteriza
esencialmente en que comprende una etapa, que ocurre antes de la
destilación, de la filtración, del lavado y de la compresión, la
cual hace posible separar la fase líquida de la fase sólida del
mosto fermentado.
La invención propone de este modo, un
procedimiento para la producción de bioetanol y para la coproducción
de energía a partir de materia prima de un vegetal amiláceo MPV, el
cual es del tipo que comprende al menos las siguientes etapas
sucesivas que consisten en:
- A)-B) obtener, a partir de
todo o parte de la materia prima vegetal amilácea (MPV), una mezcla
fermentada (MF);
- C1) separar mediante filtración y prensado, la
fase líquida (PL) y la fase sólida (PS) de la mezcla fermentada
(MF), de tal modo que la proporción en peso de los sólidos de dicha
fase sólida (PS) está comprendida entre aproximadamente 40% y
aproximadamente 45%;
- D) destilar, al menos en parte, dicha fase
líquida (PL) de la mezcla fermentada (MF) con la finalidad de
obtener etanol y vinaza ligera (VL);
- E1) producir, utilizando toda dicha vinaza
ligera (VL), gas metano (F1), que constituye un primer combustible
para la coproducción de energía;
Y por el hecho de que, previamente a dicha etapa
(C1) de separación, el procedimiento comprende:
- una etapa durante la cual el pH de la mezcla
fermentada (MF) se incrementa con la finalidad de llevarlo a un
valor de entre aproximadamente 5.5 y aproximadamente 6.5;
- y una etapa durante la cual se agrega un
adyuvante (ADJ) de filtración a la mezcla fermentada (MF).
Dicha etapa E1) de producción de al menos un
primer combustible consiste en producir gas metano a partir de la
vinaza ligera VL, y opcionalmente de flemas que se originan de la
rectificación y de la deshidratación del etanol.
Gracias a la invención, es posible obtener una
biomasa que se quema para producir energía, y obtener un valor
calorífico que es similar al del bagazo y, como en el caso de
alcohol producido a partir de caña de azúcar, prácticamente sin
necesidad de hacer uso de una energía fósil externa.
Además, las cualidades de la vinaza ligera
obtenida después de la destilación son tales que hacen posible
producir metano bajo condiciones de rendimiento óptimas.
Después de la metanización, la fase líquida así
obtenida puede sufrir un tratamiento suplementario que resulta en
la producción de agua que puede volverse a usar en la implementación
del procedimiento según la invención, o desecharse al ambiente
natural. La calidad de esta agua corresponde a los requerimientos y
estándares ambientales más estrictos. La metanización también
produce una pequeña cantidad de sedimento que, después del secado,
puede, por ejemplo, constituir productos de enriquecimiento de
tierra.
\newpage
Tratamientos suplementarios hacen posible volver
a usar el agua en el contexto de la implementación del procedimiento
según la invención, en virtud de la cantidad muy pequeña de cargas
contaminantes a la salida de la metanización.
Según otra característica del procedimiento de
la invención, éste comprende una etapa E2) de producción de al
menos un segundo combustible, la cual consiste en deshumidificar
dicha fase sólida PS de la mezcla fermentada MF con la finalidad de
producir un bloque de material, del cual la proporción en peso de
sólidos es mayor al 50%, siendo dicho bloque capaz de quemarse,
total o parcialmente, en una caldera, y/o siendo capaz dicho bloque
de usarse, total o parcialmente, para la producción de un producto
(DDGS) usado en particular para alimentación animal.
Dicha fase sólida PS de la mezcla fermentada MF
es, por ejemplo, deshumidificada mediante secado.
Sin embargo, esta operación de secado requiere
únicamente muy poca energía que puede generarse por ejemplo a
partir de la energía térmica contenida en los gases de combustión
FUM de la caldera. Por lo tanto, el secado no requiere energía
fósil externa, ni vapor producido en el contexto del procedimiento
según la invención, y el valor calorífico del bloque "secado"
se ve adicionalmente económicamente muy acrecentado desde el punto
de vista del balance de energía total del procedimiento.
Los gases (G) emitidos por la fase sólida
durante el secado son tratados con la finalidad de extraer, total o
parcialmente, el etanol que estos gases contienen, por medio de
procedimientos que incluyen, pero no se limitan, al lavado de gases
con agua, el paso de los gases sobre carbón activado, etc.
De este modo, el rendimiento del procedimiento
en términos de la producción de etanol aumenta.
Según otra característica del procedimiento de
la invención, dicho primer combustible (metano), total o
parcialmente, y dicho segundo combustible (el bloque de material
obtenido de la fase sólida), total o parcialmente, son quemados en
la misma caldera. Esto permite una mejor combustión del bloque, o
"torta", a la vez que se usa una cámara de combustión de
dimensiones más pequeñas.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, la
muy alta eficiencia de la etapa C1) de separación de la fase
líquida PL y la fase sólida PS de la mezcla fermentada MF, que
permite la proporción en peso de sólidos en dicha fase sólida (PS)
este entre aproximadamente 40% y aproximadamente 45%, se obtiene
ventajosamente en que dicha etapa C1) de preparación se lleva a
cabo por medio de un filtro prensa adaptado para este propósito.
Para mejorar aún más los niveles de rendimiento
del proceso de separación de las fases líquida y sólida, es decir,
para incrementar la capacidad de filtrado de la mezcla
fermentada:
- antes de dicha etapa C1) de separación, el
procedimiento comprende una etapa durante la cual la temperatura de
la mezcla fermentada se lleva a una temperatura T de separación de
entre aproximadamente 55ºC y aproximadamente 65ºC;
- el pH de la mezcla fermentada se aumenta, por
ejemplo, agregando al menos un componente alcalino;
El procedimiento comprende una etapa C2)
intermedia de lavado de dicha fase sólida separada de la mezcla
fermentada, con la finalidad de recuperar tanto etanol residual
contenido en la fase sólida como sea posible.
Esta etapa C2) de lavado de la fase sólida PS
separada de la mezcla fermentada se lleva a cabo ventajosamente
inyectando agua de lavado al filtro prensa en una manera tal que al
menos una parte del líquido de lavado LL muy rico en etanol se
agrega automáticamente a la fase líquida de la mezcla fermentada a
destilarse.
El procedimiento según la invención hace
posible, industrialmente, producir de manera simultánea bioetanol y
energía, en particular debido al control de la proporción de sólidos
en la fase sólida y debido a la calidad (ausencia virtual de sólidos
en suspensión) de la fase líquida antes de la destilación.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán con la lectura de la siguiente descripción, ofrecida a
modo de ejemplo no limitante, para cuya comprensión se hará
referencia al dibujo adjunto en el que la figura individual es un
esquema que ilustra un ejemplo de un procedimiento según la
invención.
Una modalidad ejemplar del principio de
separación/filtración, según la invención, de las fases líquidas y
sólidas que se aplica aquí al mosto fermentado antes de la
destilación, se describirá ahora con referencia a la figura.
La materia prima vegetal amilácea o que contiene
almidón MPV experimenta, por ejemplo, una primera etapa A de
preparación de un mosto.
Se trata, por ejemplo, cuando la materia prima
de la planta MPV es un cereal, subetapas de molienda de los
cereales, y entonces la sacarificación y licuefacción de la mezcla
molida.
La materia prima vegetal MPV puede consistir
directamente en granos tales como maíz o trigo, resultando entonces
la molienda en la preparación de una harina que se prepara con la
finalidad de obtener el mosto.
El mosto es entonces una pasta producida a
partir de materia prima de la planta MPV que es capaz de ser
fermentada.
El procedimiento comprende subsiguientemente una
etapa B de fermentación del mosto con el objetivo de obtener una
mezcla fermentada FM capas de ser destilada, también llamada mezcla
fermentada MF.
De manera conocida, se coproduce dióxido de
carbono CO2 a partir de una etapa B de fermentación como esta.
El procedimiento comprende subsiguientemente la
etapa D de destilación para obtener el bioetanol, es decir, el
producto principal del procedimiento que comprende las etapas
sucesivas A, B, y D, y también un coproducto llamado vinaza que es
una mezcla, en particular, rica en agua.
Al final de la etapa B de fermentación, el mosto
MF fermentado es sometido inmediatamente, es decir, antes de la
destilación D, y durante una operación C1 intermedia, a una
operación de separación física de la fase líquida PL y de la fase
sólida PS del mosto MF fermentado.
La fase líquida PL del mosto MF fermentado se
envía a la destilación, es decir, ésta se somete a la etapa de
destilación D que resulta en la producción de bioetanol y en la
producción de un coproducto líquido, aquí referido como la vinaza
ligera VL.
El hecho de que, de acuerdo con las enseñanzas
de la invención, la operación de destilación se aplica únicamente a
la fase líquida PL del mosto fermentado MF se refiere en particular
a que se usan equipos de dimensiones y volúmenes más pequeños en
comparación con operaciones de dos fases, líquida y sólida,
convencionales mezcladas, para la destilación de un producto.
La separación de la fase líquida PL del mosto
fermentado MF se obtiene mecánicamente mediante filtración y
prensado, preferiblemente por medio de un filtro prensa, y/o como
una variante, por medio de un filtro y de una prensa que operan de
manera continua o en una manera de lotes.
Estas operaciones físicas que resultan en la
separación de la fase líquida PL y de la fase sólida PS del mosto
fermentado son designadas por la etapa C1 en la figura.
La calidad de la separación se llevada a cabo
según la invención depende de la capacidad o de la habilidad de la
mezcla fermentada MF para filtrarse.
Esta habilidad puede, por ejemplo, expresarse en
la forma del parámetro "CST" que se mide según procedimientos
normalizados bien conocidos por los expertos en la materia.
En el contexto de la presente invención, se ha
descubierto que el control y/o la modificación de ciertos parámetros
de la mezcla fermentada obtenida a partir de la materia prima
amilácea incrementan considerablemente su capacidad de ser filtrada,
y por lo tanto, la proporción en peso de los sólidos obtenidos.
El primero de estos parámetros es la temperatura
T, aquí referida como temperatura de filtración, de la mezcla cuando
se introduce en los medios de separación usados, y por ejemplo a un
filtro prensa.
De esta manera, antes de la etapa de separación,
el procedimiento comprende una etapa durante la cual la temperatura
de la mezcla fermentada MF se lleva a o se mantiene a una tempera de
separación T que esta entre aproximadamente 55ºC y aproximadamente
65ºC. Este control de la temperatura de separación T puede resultar
directamente de las etapas anteriores de tratamiento de la materia
prima para los propósitos de obtener la mezcla fermentada, y puede,
por ejemplo, obtenerse sin el consumo de energía adicional, dado que
la mezcla fermentada debe en cualquier caso llevarse a 65ºC antes de
la destilación.
El segundo de estos parámetros es el pH de la
mezcla cuando ésta se introduce en los medios de separación
usados.
De este modo, antes de la etapa de separación,
el procedimiento comprende una etapa durante la cual se incremente
el pH de la mezcla fermentada MF con la finalidad de llevarlo a un
valor de entre aproximadamente 5.5 y aproximadamente 6.5. Por
ejemplo, el pH de la mezcla fermentada MF se incrementa agregando al
menos un componente alcalino que incluye, pero que no se limita a,
carbonato de calcio CaCO3 o hidróxido de calcio
Ca(OH)2.
Además, se destaca que estos dos parámetros
(temperatura T y pH) están relacionados con la capacidad de la
mezcla fermentada para separarse, es decir, es posible establecer
una serie de curvas que indican el valor del CTS como una función
de la temperatura T, y para un valor de pH dado (o viceversa).
\global\parskip0.900000\baselineskip
También, los valores de estos parámetros
dependen de la materia prima amilácea empleada.
También es posible mejorar la capacidad de la
mezcla para ser filtrada haciendo uso de un adyuvante de filtración
ADJ, por ejemplo, un adyuvante a base de polímeros.
Los subproductos sólidos que resultan de la
separación física en C1 pueden someterse, como se ilustra aquí, a
una sub-etapa C2 de lavado de los productos sólidos
separados.
El lavado se lleva a cabo, por ejemplo, mediante
la inyección de agua de lavado al filtro prensa, con al menos la
misma temperatura que aquella de la mezcla fermentada MF. Después
del lavado, el agua de lavado es referida como líquido de lavado LL
y este líquido de lavado se vuelve a usar en la siguiente
manera.
El líquido de lavado LL que tiene un alto
contenido de etanol se vuelve a usar total o parcialmente
mezclándose con la fase líquida PL de la mezcla fermentada MF antes
de la destilación D.
En el caso del uso del filtro prensa, este
"mezclado" es automático a la "salida" del filtro
prensa.
Una parte del etanol contenido en la fase sólida
PS es de este modo recuperada. La recuperación de este etanol en
una etapa subsiguiente sería más compleja y costosa.
De acuerdo con el procedimiento según la
invención para la producción de bioetanol y para la coproducción de
energía, la vinaza ligera VL subsiguientemente se somete a una etapa
E1 de producción de un primer combustible F1, que aquí es
metano.
Esta etapa E1, referida como etapa de
metanización, es de esta manera aplicada a la vinaza ligera VL,
cuyas cualidades son óptimas a este respecto, en particular por el
hecho de que la vinaza no contiene componentes prácticamente sólidos
en suspensión.
La producción de gas metano mediante
metanización o biogas se obtiene por ejemplo por tratamiento por vía
anaeróbica. Mediante acidogénesis y metanogénesis, se obtiene metano
que constituye el primer combustible F1 obtenido según el
procedimiento de la invención que puede utilizarse a continuación,
durante una etapa PG, para coproducir energía.
La producción de gas metano mediante
metanización a partir de la vinaza líquida - referida como vinaza
ligera VL - derivada de la destilación y también de las
"flemas" FG que resultan de las etapas conocidas de
rectificación y deshidratación del etanol después de etapa de
destilación.
La vinaza ligera VL tiene un bajo contenido en
nitrógeno debido a que el nitrógeno presente en la materia prima de
la planta almidonada y en las levaduras usadas para la fermentación,
han sido eliminadas en un grado considerable en virtud de la
operación de separación de las fases líquida y sólida antes de la
destilación. Esta metanización es particularmente ventajosa y
eficiente por lo que la fase líquida tiene un bajo contenido de
nitrógeno, siendo el nitrógeno un inhibidor de la metanización.
Durante la etapa PG, el equipo incluye, pero no
se limita a: un generador; una caldera; una turbina de gas; un
motor, alimentados con metano, que pueden producir energía que
incluye, pero que no se limita a: electricidad; vapor; agua
caliente, etc.
En el ejemplo ilustrado en la figura, el metano
F1 se quema en una caldera que es por ejemplo, una caldera para la
producción de vapor. La caldera también produce gases de combustión
residuales FUM.
De esta manera, se proporciona un ciclo muy
eficiente de coproducción de energía a partir de combustible
derivado de la vinaza ligera VL.
Los efluentes líquidos producidos durante la
etapa E1 de gasificación (metanización) pueden tratarse, durante
uno o más etapas de tratamiento, vía una trayectoria aeróbica
suplementaria, entre otras cosas para obtener un efluente líquido
purificado y/o agua que puede volver a usarse en el procedimiento
según la invención.
En el contexto de la coproducción, o
cogeneración, de energía de acuerdo con el procedimiento según la
invención, la fase sólida PS del mosto fermentado MF, es decir, los
materiales residuales que se originan de la fermentación B, son
también fácilmente convertidos en energía.
Gracias a la técnica de separación mediante
filtración y prensado, en particular en un filtro prensa, la
proporción en peso de sólidos de la fase sólida PS obtenida es mayor
al 40% en peso, y esta por ejemplo entre aproximadamente 40% y
aproximadamente 45%.
La etapa E2, de producción del segundo
combustible, es una etapa de deshumidificación, por ejemplo
mediante secado y/o mediante cualquier otro proceso físico
conveniente, que consiste en deshumidificar la fase sólida PS del
mosto fermentado MF con la finalidad de producir un bloque seco F2,
también llamado "torta", la cual es entonces un elemento
combustible que puede ser fácilmente quemado.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Esto es debido a que la etapa de
deshumidificación hace posible tener un bloque de combustible, cuyo
contenido de sólidos es entonces mayor al 50%, es decir, un nivel
que permite una buena combustión.
De esta manera, el bloque constituye, para el
propósito de la invención, el segundo producto combustible F2 para
la coproducción de una segunda energía durante una segunda etapa
para la coproducción de energía.
Este combustible F2 puede así, por ejemplo,
quemarse en una caldera que produce energía, incluyendo, pero sin
limitarse a: electricidad, vapor, agua caliente, etc.
Este combustible F2 es preferiblemente quemado
aquí en una caldera que es aquí la misma caldera CH que aquella en
la que se quema el metano F1.
Los medios usados para las coproducciones PG de
energía también generan gases de combustión FUM y/o gases que pueden
recuperarse durante una etapa R y que pueden, en particular, usarse
como una fuente de energía durante la etapa E2 de deshumidificación
de la fase sólida.
El calor contenido en estos gases de combustión
se recupera por medio de un intercambiador. Esta energía de secado
es de este modo económica debido a que se recupera sin que sea
necesario requerir vapor producido por las calderas en el contexto
del procedimiento, o energía fósil externa.
También se notará que esta etapa resulta en la
producción de cenizas.
En virtud de las dos etapas E1 y E2 de
producción de los dos combustibles F1 y F2 que son subsiguientemente
convertidos a energía, el procedimiento según la invención es un
procedimiento para la producción de bioetanol y para la
coproducción de energía PG, dado que no únicamente la producción de
bioetanol es "auto-suficiente" en términos de
energía, sino que el procedimiento resulta en la coproducción de un
exceso de energía que puede comercializarse en las formas que
incluyen, pero que no se limitan a, vapor, agua caliente,
electricidad, etc.
La combustión de la fase sólida PS de contenido
alto en sólidos puede llevarse a cabo con facilidad en una caldera
de biomasa, si se compara esta combustión con todos los intentos
previos en la combustión de vinazas concentradas, sin separación
previa de las fases liquida y sólida.
Los residuos de la combustión de los dos
combustibles, o de las combustiones si se llevan a cabo de manera
separada, pueden comercializarse después del secado, por ejemplo, en
la forma de productos de enriquecimiento de tierra.
Dependiendo de varios parámetros, y en
particular de la materia prima de la planta MPV usada, la fase
líquida PL puede usarse completamente o en parte para el propósito
de producción del metano F1.
De manera similar, la fase sólida PS puede
usarse completamente o en parte para el propósito de producción del
combustible sólido o bloque F2, y/o éste puede usarse completamente
o en parte para la producción de DDG (Grano Secado en Destilador)
que se usa en particular para alimentación animal.
Este DDG es de una calidad mucho más alta que el
que se encuentra actualmente disponible, en particular debido a que
el contenido de etanol residual es muy bajo.
Este contenido residual muy bajo resulta primero
de la técnica de separación usada.
El contenido de etanol del bloque F2 se reduce
además en virtud de una etapa C2) de lavado de la fase sólida PS
separada de la mezcla fermentada MF.
Si el lavado se lleva a cabo fuera de los medios
de filtración y prensado, el líquido de lavado puede volverse a
usar completamente o en parte, mezclándose con el mosto corriente
arriba de la etapa B de fermentación. De esta manera, es posible
mezclar el líquido con el mosto antes de la etapa de fermentación
y/o usarlo para la etapa de preparación. Así, se hace además un
ahorro en términos de una parte del agua usada para la preparación
y/o para la fermentación.
Una separación del líquido de lavado, después
del lavado, en dos distintas trayectorias puede llevarse a cabo
según el contenido de etanol del líquido de lavado.
Ventajosamente, cuando la separación de PL y PS
se lleva a cabo por medio de un filtro prensa, la
sub-etapa C2) de lavado de la fase sólida PS
separada de la mezcla fermentada MF se lleva a cabo mediante
inyección de agua de lavado en el filtro prensa en una manera tal
que al menos parte del líquido de lavado con un contenido de
alcohol se agrega entonces "de manera automática" a la fase
líquida PL de la mezcla fermentada a destilarse.
El contenido de etanol del bloque de combustible
F2 se reduce además durante la etapa de deshumidificación mediante
secado, la cual provoca evaporación, en la forma de gas G, del
material líquido que éste contiene, y en particular el etanol, el
cual está entonces en la forma de vapores de alcohol.
Este etanol "vaporizado" puede recuperarse
también, por ejemplo con una etapa de lavado de gases G, por ejemplo
por medio de agua.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se presentará a título no
limitativo un ejemplo de balance para la producción de bioetanol y
para la coproducción de energía (energías) obtenidas después de una
prueba piloto.
La materia prima de la planta prevista es trigo
que contiene teóricamente 12.8% en peso de agua y 87.2% en peso de
materia seca, entre los que el 59% en peso del MPV es almidón.
Con este trigo, para obtener 100 litros, es
decir, un hectolitro, de bioetanol, son necesarios 272.9 kg de
trigo, que contienen 34.9 kg de agua, 161.0 kg de almidón y 77.0 kg
de otros sólidos.
Después de la sacarificación/licuefacción,
fermentación y destilación, se obtuvieron 100 litros de bioetanol y
92.0 kg de sólidos.
De los 92 kg de sólidos, después de la
separación de las fases líquida y sólida, se proporcionan 60.37 kg
de material como combustible para quemarse en una caldera; y la fase
líquida se destila y se proporcionan 31.63 kg de material para la
metanización para la producción de gas metano que puede también
utilizarse en una caldera.
E2) Para los 60.37 kg de fase sólida separada o
"torta"
"Poder calorífico inferior" (PCI) para 50%
de sólidos de la torta: 2150 kcal/kg
\vskip1.000000\baselineskip
Energía recuperada:
120.74 kg x 2150 kcal/kg + 1000 = 259.59
termias
259.59 termias x 1.163 = 301.90 kWh
301.90 kWh x 3.6 = 1086.84 MJ
\vskip1.000000\baselineskip
E1) Para los 31.63 kg de materiales orgánicos y
minerales solubilizados en la vinaza ligera:
Hipótesis: Demanda Química de Oxígeno (O2)
utilizable = 92g/l de vinaza.
\vskip1.000000\baselineskip
Cantidad de mosto fermentado a 12.54% en
volumen:
100 litros \div 12.54 x 100 = 797.48 litros,
se tomarán como 797.50 litros
\vskip1.000000\baselineskip
Considerando una recirculación de la vinaza de
12.8%:
797.50 litros - (797.5 litros x 12.8 \div 100)
= 695.42 litros, se tomará como 695.50 litros.
\vskip1.000000\baselineskip
Producción de alcohol (bioetanol) a 92.5% en
volumen necesario para producir 100 litros de alcohol puro:
100 litros \div 92.5 x 100 = 108.1 litros, se
tomará como 108 litros.
\vskip1.000000\baselineskip
Cantidad de vinaza ligera producida por 100
litros de alcohol puro.
695.5 litros - 108 litros = 587.50 litros de
vinaza ligera por 100 litros de alcohol puro.
\vskip1.000000\baselineskip
Energía recuperada con el metano por 100 litros
de alcohol puro:
92 g/l x 587.5 litros \div 1000 = 54.05
kg.
54.05 kg x 0.446 x 6450 kcal/kg = 155 486
kcal
(en el donde 0.446 es el coeficiente de
rendimiento de metanización)
155 486 kcal \div 1000 x 1.163 = 180.83
kWh
180.83 kWh x 3.6 = 651 MJ
\vskip1.000000\baselineskip
Energía total E1 + E2:
301.90 kWh + 180.83 kWh = 482.73 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Energía necesaria para la producción de 100
litros de alcohol puro:
Energía eléctrica: 25 kWh
Energía térmica: 166.32 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Considerando que la eficiencia de la caldera de
vapor es de 92%:
482.73 kWh x 92 \div 100 = 444.11 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Considerando que la turbina en contrapresión
tiene una eficiencia de 83%, es decir, 20% en energía eléctrica y
63% en energía térmica:
La capacidad de la turbina será:
166.32 kWh x 63 \div 100 = 264 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
La producción de energía eléctrica por turbina
es:
264 kWh x 20 \div 100 = 52.80 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Balance disponible de energía eléctrica que
puede comercializarse:
52.80 kWh - 25 kWh = 27.80 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Energía aún disponible:
444.11 kWh - 264 kWh = 180.11 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Considerando que una turbina de condensación en
contrapresión tiene una eficiencia de 32% en energía eléctrica:
180.11 kWh x 32 \div 100 = 57.64 kWh
\vskip1.000000\baselineskip
Energía total eléctrica disponible para
comercializar:
27.80 kWh + 57.64 kWh = 85.44 kWh por 100 litros
de alcohol puro producido.
\vskip1.000000\baselineskip
Observación: el rendimiento de energía a partir
de gas puede incrementarse considerablemente con el uso de una
turbina de gas de ciclo combinado.
\vskip1.000000\baselineskip
A título comparativo:
Una tonelada de caña de azúcar permite la
producción de 90 litros de alcohol puro.
Una tonelada de caña de azúcar hace posible
producir un exceso de energía eléctrica comerciable de 75 kWh por
tonelada de caña (fuente Celso Procknor, Revista STAB/Brasil edición
Enero 2007).
Excedente de energía eléctrica comerciable por
100 litros = 83.33 kWh
Como conclusión, la presente invención hace
posible producir, con la biomasa de plantas almidonadas, tanta
energía como proporcionada por el bagazo del azúcar de caña.
Balance de energía por 1 tonelada de cereales en
el caso de la prueba piloto:
1 tonelada de cereales hace posible producir 400
litros de alcohol puro.
\vskip1.000000\baselineskip
Relación energía producida/energía usada:
15 432 MJ \div 4467 MJ = 3.45
\vskip1.000000\baselineskip
Balance de energía por 1 tonelada de cereales en
el caso de la producción de DDGS
Relación energía producida/energía usada:
8480 MJ \div 6417 MJ = 1.32
\vskip1.000000\baselineskip
Como conclusión, la ganancia de energía obtenida
por medio del procedimiento para la producción de bioetanol y para
la coproducción de energía según la invención contradice las
críticas hechas acerca del alcohol obtenido a base de cereales por
ciertos autores en el arte previo. La energía producida es
claramente mayor que la energía usada, aunque se considera nula por
estos mismos autores.
Balance de agua
Agua de enfriamiento:
Hipótesis : Torre de refrigeración de agua
Agua necesaria por 100 litros de alcohol puro
producido: 0.8 m^{3}
Pérdidas: 6%, es decir, 0.048 m^{3}, se tomará
como 0.05 m^{3}/hl
Agua fresca para el proceso de fabricación: 0.4
- 0.5 m^{3}/hl
\newpage
Agua de las calderas, considerando la
recuperación de los condensados y calentamiento llevado a cabo por
medio de in intercambiador: 0.05 m^{3}/hl
Agua total necesaria: 0.5 - 0.6 m^{3}/hl de
alcohol puro producido.
Esta cantidad de agua puede reducirse a
aproximadamente 0.15 m^{3}/hl con tratamiento de los efluentes
líquidos que se originan de la metanización.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el
máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al
respecto.
\bullet US 4337123 A [0029]
\bullet EP 0048061 A2 [0034]
\bullet WO 2004113549 A1 [0037]
Claims (10)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Procedimiento para la producción de bioetanol y para la coproducción de energía a partir de una materia prima vegetal (MPV) amilácea,caracterizado por el hecho de que comprende al menos las siguientes etapas sucesivas consistentes en:- A)-B) obtener, a partir de todo o parte de la materia prima vegetal amilácea (MPV), una mezcla fermentada (MF);- C1) separar mediante filtración y prensado, la fase líquida (PL) y la fase sólida (PS) de la mezcla fermentada (MF), de tal modo que la proporción en peso de los sólidos de dicha fase sólida (PS) está comprendida entre aproximadamente 40% y aproximadamente 45%;- D) destilar, al menos en parte, dicha fase líquida (PL) de la mezcla fermentada (MF) con la finalidad de obtener etanol y vinaza ligera (VL);- E1) producir, utilizando toda dicha vinaza ligera (VL), gas metano (F1), que constituye un primer combustible para la coproducción de energía;Y por el hecho de que, previamente a dicha etapa (C1) de separación, el procedimiento comprende:- una etapa durante la cual el pH de la mezcla fermentada (MF) se incrementa con la finalidad de llevarlo a un valor de entre aproximadamente 5.5 y aproximadamente 6.5;- y una etapa durante la cual se agrega un adyuvante (ADJ) de filtración a la mezcla fermentada (MF).\vskip1.000000\baselineskip
- 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha etapa de separación C1) se lleva a cabo por medio de un filtro prensa.
- 3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que, antes de dicha etapa C1) de separación, el procedimiento comprende una etapa durante la cual la temperatura de la mezcla fermentada (MF) se lleva a una temperatura (T) de separación de entre aproximadamente 55ºC y aproximadamente 65ºC.
- 4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que, el pH de la mezcla fermentada (MF) se incrementa agregando al menos un componente alcalino (CAL).
- 5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que comprende una sub-etapa C2) de lavado de dicha fase sólida (PS) separada de la mezcla fermentada (MF).
- 6. Procedimiento según la reivindicación anterior, tomada en combinación con la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dicha etapa (C2) de lavado de la fase sólida (PS) separada de la mezcla fermentada (MF) se lleva a cabo mediante la inyección de agua de lavado en el filtro prensa en una manera tal que al menos una parte del líquido de lavado (LL) que tiene un contenido de etanol se agrega automáticamente a dicha fase líquida (PL) de la mezcla fermentada a destilar.
- 7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende una etapa (E2) de producción de al menos un segundo combustible, que consiste en deshumidificar dicha fase sólida (PS) de la mezcla fermentada (MF) con la finalidad de producir un bloque (F2) de material cuya proporción en peso de materia seca es mayor que 50%, y por el hecho de que dicho bloque (F2) es capaz de quemarse, total o parcialmente, en una caldera (CH), y/o por el hecho de que dicho bloque (F2) puede ser utilizado, total o parcialmente, para la producción de un producto (DDG) usado en particular para alimentación animal.
- 8. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que dicha fase sólida (PS) de la mezcla fermentada (MF) se deshumidifica mediante secado (H), y por el hecho de que los gases (G) emitidos durante el secado son procesados con la finalidad de extraer, total o parcialmente, el etanol que estos gases contienen, en particular, mediante el lavado de los gases con agua.
- 9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por el hecho de que dicho metano (F1), total o parcialmente, y dicho segundo combustible (F2), total o parcialmente, son quemados en la misma caldera.
- 10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicha mezcla fermentada (MF) se obtiene por medio de las etapas sucesivas que consisten en:-A) preparar una pasta que comprende la materia prima vegetal (MPV) capaz de ser fermentada,-B) provocar la fermentación de dicha pasta con el objetivo de obtener una mezcla fermentada (MF).
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