PT2142658E

PT2142658E - Liquefacção de biomassa com base em amido

Info

Publication number: PT2142658E
Application number: PT08719055T
Authority: PT
Inventors: Jens Havon Thorup; John Gervase Mark Heathcote; Marcus Brian Mayhall Fenton
Original assignee: Pursuit Dynamics Plc
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2011-12-29
Also published as: ES2372890T3; ATE526415T1; DK2142658T3; HRP20110829T1; PL2142658T3; HRP20110828T1; DK2145026T3; SI2145026T1; US20100233769A1; PT2145026E; EP2145026A1; US8193395B2; US8513004B2; CA2685537A1; US20090240088A1; ATE523597T1; EP2142658B1; US20130337523A1; ES2373808T3; WO2008135783A1

Description

Descrição

LIQUEFACÇÃO DE BIOMASSA COM BASE EM AMIDO A presente invenção é um processo de tratamento de biomassa adequado para utilização na produção de biocombustivel. Mais especificamente, a presente invenção relaciona-se com um processo melhorado e um aparelho para converter biomassa, com base em amido, em açúcares para subsequente fermentação. 0 processo de converter biomassa, com base em amido, em açúcares é conhecido na produção de biocombustivel como liquefacção. Este processo de liquefacção envolve a extracção do amido de matéria-prima com base em amido e depois a conversão do amido extraido em polisacarídeos de cadeias curtas para sacarificação, fermentação e destilação subsequentes em álcool, tal como etanol, por exemplo.

Os processos de liquefacção envolvem, normalmente, uma hidratação inicial de mistura de matéria-prima com base em amido moída com água para formar uma mistura. A água pode ser pré-aquecida antes de ser mistura com a matéria-prima. A mistura pode ser adicionalmente aquecida num vaso de modo a activar o amido, e é então aquecida de novo e misturada com uma enzima de liquefacção de modo a converter o amido em açúcares de cadeia curta. 0 estádio de activação usa, normalmente, tanques com camisa de vapor ou aquecimento por aspersão de vapor para aquecer a mistura até à temperatura desejada. Ao mesmo tempo, as misturadoras de agitação, circuitos de recirculação de mistura, ou uma combinação dos dois, misturam a mistura. Contudo, apesar da presença das bombas de recirculação, estes métodos de aquecimento podem resultar na criação de regiões criadas no tanque ou vaso de mistura cujas temperaturas são muito superiores às do restante 1/21 tanque. Em tais processos de "libertação lenta", o amido hidratado no inicio do processo pode ser danificado caso entre em contacto com estas regiões de alta temperatura, resultando num menor rendimento. Estes métodos também não providenciam uma mistura particularmente eficiente, como evidenciado pelo problema dos danos por calor acima debatido.

Estes processos convencionais normalmente utilizam vasos separados para os estágios de activação e conversão do processo. A transferência da mistura do vaso de activação para o vaso do estágio de conversão é normalmente conseguida usando bombas de centrifugação, as quais aplicam uma elevada força de cisalhamento na mistura e provocam danos no amido hidratado como resultado. 0 estágio de conversão pode também utilizar tanques com camisa de vapor ou água, ou tanques aquecidos por aquecedores de aspersão, para elevar a temperatura da mistura até ao nivel adequado para um desempenho óptimo da enzima. Alternativamente, os injectores de vapor são utilizados para aquecer a mistura que chega ao vaso do estágio de conversão. Não só a mistura pode sofrer o mesmo dano devido ao calor como no estágio de activação, mas as regiões de alta temperatura também contribuem para limitar a quantidade de glicose do processo. 0 calor excessivo destas regiões promove reacções Maillard, onde as moléculas de açúcar são destruídas devido à interacção com proteínas na mistura. A combinação destas perdas Maillard com as perdas de cisalhamento das bombas de transferência limita a quantidade de proteína disponível. Adicionalmente, os processos de liquefacção existentes requerem um longo tempo de retenção para a mistura no estágio de conversão para assegurar que é convertido tanto amido em açúcar quanto possível. Isto leva a um processo de produção mais prolongado com custos acrescidos. 2/21 É objectivo da presente invenção mitigar ou eliminar uma ou mais destas desvantagens.

Duas patentes descrevem o processo (GB1028211) e um dispositivo de acordo (GB995660) para criar glicose ou maltose a partir de amido, em que uma suspensão aquosa de amido é misturada com alfa-amilase num tanque, e sujeito à gelatinização e liquefacção num vaso, onde é aquecido a 95 °C misturando com vapor proveniente de um tubo e sujeito à força de impacto e/ou cisalhamento. 0 aparelho compreende um tubo com, pelo menos, uma parte apertada através da qual passa uma suspensão de amido, e tendo na parede do tubo, para lá da parte estreita na região de transição para uma secção total, um ou mais orifícios de entrada para a solução química ou vapor.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é providenciado um processo para o tratamento de uma matéria-prima com base em amido, compreendendo: misturar a matéria-prima com base em amido juntamente com o fluido activo para formar uma mistura; hidratar a matéria-prima com base em amido com o fluido activo; adicionar uma enzima de liquefacção à mistura e bombear a mistura para uma passagem de diâmetro substancialmente constante de um dispositivo de activação de amido; e hidratar ainda mais a matéria-prima com base em amido e activar o conteúdo de amido da mistura ao injectar um fluido de transporte de alta velocidade na mistura através de um bocal que comunica com a passagem; onde o fluido activo é água e o fluido de transporte é o vapor. A injecção do fluido de transporte na mistura pode: 3/21 aplicar uma força de cisalhamento na mistura; atomizar a fase líquida dentro da mistura para criar um regime de fluxo de gotículas disperso; formar uma região de baixa pressão a jusante do bocal; e gerar uma onda de choque de condensação dentro da passagem a jusante do bocal por condensação do fluido de transporte. 0 primeiro passo de hidratação incluí aquecer a mistura dentro de um primeiro vaso e/ou mantê-la numa primeira temperatura predeterminada durante um período de tempo predeterminado. 0 processo pode ainda compreender o passo de transferir a mistura para um segundo vaso a partir do dispositivo de activação do amido, e manter a temperatura da mistura no segundo vaso por um segundo período de tempo predeterminado. 0 passo de transferir a mistura para o segundo vaso pode incluir passar a mistura através de uma unidade de condicionamento de temperatura para elevar a temperatura da mistura. 0 passo de aquecer a mistura no primeiro e segundo vasos pode também incluir o passo de agitar a mistura durante o respectivo primeiro e segundo períodos de tempo. 0 passo de activação pode incluir a recirculação da mistura através do dispositivo de activação de amido. 0 fluido de transporte pode ser injectado a uma velocidade supersónica. 0 passo de injectar o fluido de transporte pode compreender injectar um fluido de transporte a alta velocidade na mistura através de uma pluralidade de bocais que comunicam com a 4/21 passagem. 0 passo de injectar o fluido de transporte na mistura pode ocorrer numa única passagem da mistura através do dispositivo de activação de amido. 0 bombeamento da mistura pode ser realizado usando uma bomba de baixo cisalhamento.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é providenciado um aparelho para o tratamento de uma matéria-prima com base em amido, o aparelho compreendendo: meios de hidratação para misturar e hidratar a matéria-prima com um fluido activo para formar uma mistura; e um dispositivo de activação de amido em comunicação de fluido com os primeiros meios de hidratação; em que o dispositivo de activação de amido compreende: uma passagem de diâmetro substancialmente constante tendo uma entrada em comunicação de fluido com os primeiros meios de hidratação e uma saída; e um bocal de fluido de transporte que comunica com a passagem e é adaptado para injectar fluido de transporte de alta velocidade na passagem.

Os meios de hidratação podem compreender um primeiro vaso com uma saída em comunicação de fluido com a entrada da passagem. Os meios hidratantes podem compreender meios de aquecimento para aquecer o fluido activo e/ou a mistura. 0 dispositivo pode compreender um segundo vaso com uma entrada em comunicação de fluido com a saída da passagem. 0 segundo vaso 5/21 pode incluir meios de isolamento para isolar os conteúdos do segundo vaso.

Alternativamente, o dispositivo pode compreender uma secção de tubo de retenção com uma entrada em comunicação de fluido com a saida da passagem. 0 tubo de retenção pode incluir meios de isolamento para isolar os conteúdos do tubo de retenção à medida que passam. 0 bocal do fluido de transporte pode ser anular e circunscrever a passagem. 0 bocal do fluido de transporte pode ter uma entrada, uma saida e uma porção estreita intermédia à entrada e à saida, onde a porção estreita tem uma área transversal a qual é menor que aquela da entrada e saida. 0 aparelho pode ainda compreender um fornecimento de fluido de transporte adaptado para fornecer fluido de transporte para o bocal de fluido de transporte. 0 aparelho pode compreender uma pluralidade de dispositivos de activação de amido em série e/ou paralelos uns aos outros, onde o fornecimento de fluido de transporte é adaptado para fornecer fluido de transporte ao bocal de fluido de transporte de cada dispositivo. 0 aparelho pode compreender uma pluralidade de linhas de fornecimento de fluido de transporte que ligam o fornecimento de fluido de transporte a cada bocal, onde cada linha de fornecimento de fluido de transporte inclui meios de condicionamento de fluido de transporte.

Os meios de condicionamento de fluido de transporte podem ser adaptados para variar a pressão de fornecimento do fluido de transporte para cada bocal. 6/21

Alternativamente, o aparelho pode compreender um fornecimento de fluido de transporte dedicado a cada bocal de fluido de transporte. Cada fornecimento de fluido de transporte pode incluir meios de condicionamento de fluido de transporte. Cada meio de condicionamento pode ser adaptado para variar a pressão de fornecimento do fluido de transporte para cada bocal respectivo. 0 aparelho pode ainda compreender uma unidade de condicionamento de temperatura localizada entre o dispositivo de activação de amido e o segundo vaso, a unidade de condicionamento de temperatura adaptada para aumentar a temperatura do fluido que passa do dispositivo para o segundo vaso. 0 aparelho pode ainda compreender um tubo de recirculação adaptado para permitir a recirculação de fluido entre a saida do dispositivo de activação de amido e o primeiro vaso. 0 aparelho pode ainda compreender uma bomba de baixo cisalhamento adaptada para bombear fluido dos meios de hidratação para o dispositivo de activação de amido.

Os meios de aquecimento podem compreender uma camisa de água aquecida que rodeia o primeiro vaso. Alternativamente, os meios de aquecimento podem ser afastados dos meios de hidratação.

Os meios de isolamento podem compreender uma camisa de água aquecida que rodeia o segundo vaso. Alternativamente, os meios de isolamento podem compreender uma camada de material isolante que cobre o exterior do segundo vaso. 7/21 0 aparelho pode ainda compreender um primeiro e segundo meio de agitação localizado no primeiro e segundo vasos, respectivamente. 0 primeiro vaso pode incluir meios de recirculação para recircular a mistura da saída para uma entrada do mesmo.

Uma forma de realização preferencial da presente invenção será agora descrita apenas através de exemplos, com referência aos desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 é uma vista esquemática de um aparelho de processamento de biocombustível; A figura 2 é uma vista de corte longitudinal através de um dispositivo de activação de amido, adequado para utilização no aparelho mostrado na Figura 1; e A figura 3 mostra um gráfico do perfil de temperatura e pressão de uma mistura à medida que passa através do dispositivo mostrado na Figura 2. A Figura 1 ilustra, esquematicamente, um aparelho que extrai amido de uma matéria-prima com base em amido e que depois converte o amido extraído em açúcares. 0 aparelho, geralmente designado 1, compreende um primeiro vaso 2 que age como um primeiro meio de hidratação. 0 primeiro vaso 2 tem meios de aquecimento, os quais são preferencialmente uma camisa de água aquecida 4, a qual rodeia o vaso 2 e recebe a água aquecida a partir de um fornecimento de água aquecida (não mostrado). 0 vaso 2 também inclui um agitador 6 que é accionado por um motor 8. 0 agitador 6 é suspenso do motor 8 de modo a que fique dentro do vaso 2. Na base do vaso 2 está uma saída 10 e uma válvula 12, os quais controlam o fluxo de fluido da saída 10. A jusante do primeiro vaso 2 está uma primeira linha de fornecimento 16, a extremidade a montante da qual liga 8/21 fluidamente à saída 10 e a válvula 12 enquanto a extremidade a jusante da linha de fornecimento 16 liga fluidamente com um reactor 18. Uma bomba de baixo cisalhamento 14 pode ser fornecida na linha de fornecimento 16. A bomba 14 pode ser uma bomba centrífuga a qual foi modificada de modo a reduzir o cisalhamento à medida que o fluido é bombeado através da mesma. O reactor 18 é formado a partir de um ou mais dispositivos de activação de amido. Um movimentador de fluido adequado que pode agir como dispositivo de activação de amido é mostrado em pormenor na Figura 2. O movimentador de fluido 100 compreende uma estrutura 20 que define a passagem 22. A passagem 22 tem uma entrada 24 e uma saída 26 e tem um diâmetro substancialmente constante. A entrada 24 é formada na extremidade frontal de uma saliência 28 que se estende para dentro da estrutura 20 e define, desse modo, exteriormente, uma câmara 30. A câmara 30 tem uma entrada de fluido de transporte 32. A saliência 28 define internamente aí uma parte da passagem 22. A extremidade distai 34 da saliência 28 afastada da entrada 24 é cónica na sua superfície relativamente exterior no 36 e define um bocal de fluido de transporte 38 entre si e uma parte correspondentemente cónica 40 da parede interior da estrutura 20. O bocal 38 está em comunicação de fluido com a câmara 30 e é preferencialmente anular de tal modo que circunscreve a passagem 22. O bocal 38 tem uma entrada de bocal 35, uma saída de bocal 39 e uma porção estreita 37 intermédia à entrada do bocal 35 e à saída do bocal 39. 0 bocal 38 tem uma geometria interna convergente-divergente, onde a porção estreita 37 tem uma área transversal, a qual é menor que a área transversal da entrada do bocal 35 ou saída do bocal 39. A saída do bocal 39 abre para uma câmara de mistura 25 definida dentro da passagem 22. 9/21

Referindo uma vez mais à Figura 1, o reactor 18 está ligado a um fornecimento de fluido de transporte 50 via uma linha de fornecimento de fluido de transporte 48. A entrada de fluido de transporte 32 do ou cada dispositivo de activação de amido 100 que constitui o reactor é fluidamente ligado à linha de fornecimento de fluido de transporte 48 para a recepção do fluido de transporte do fornecimento de fluido de transporte 50.

Localizado a jusante do reactor 18 e fluidamente ai ligado está uma unidade de condicionamento de temperatura (TCU) 52. A TCU 52 compreende, preferencialmente, um movimentador de fluido substancialmente idêntico àquele ilustrado na Figura 2, e por isso, não será aqui descrito novamente em pormenor. A TCU 52 pode ser ligada ao fornecimento de fluido de transporte 50 ou pode ter o seu próprio fornecimento de fluido de transporte (não mostrado). A jusante da TCU 52 está uma segunda linha de fornecimento 54, que fluidamente liga a saída da TCU 52 a um segundo vaso 56. 0 segundo vaso 56 é semelhante ao primeiro vaso 2, e por isso, compreende uma camisa de água aquecida 58 que rodeia o vaso 56 e recebe água quente do fornecimento de água aquecida (não mostrado) . 0 vaso 56 também inclui um agitador 60 que é accionado por um motor 62. 0 agitador 60 é suspenso a partir do motor 62 de modo que a fique dentro do vaso 56. Na base do vaso 56 está uma saída 64 e um meio de válvula 66, o qual controla o fluxo de fluido da saida 64.

Um método de processamento de matéria-prima de amido usando o aparelho ilustrado nas figuras 1 e 2 será agora descrito com mais pormenor. Em primeiro lugar, uma matéria-prima com base em amido moída é introduzida no primeiro vaso 2, numa taxa de fluxo de adição de massa controlada. Exemplos de matéria-prima 10/21 adequada incluem milho, trigo ou sorgo moídos a seco. Separadamente, uma enzima de liquefacção é misturada com um fluido activo, o qual é água, e que o fluido activo é então adicionado à matéria-prima no vaso 2 para formar uma mistura e para começar a hidratar a matéria-prima. Um exemplo de uma enzima de liquefacção adequada é Liquozyme SC DS® produzida por Novozymes of Bagsvaerd, Dinamarca. A concentração de enzima preferida no vaso 2 é 0,09- 0,18 ml/kg. De preferência, o rácio de matéria-prima para conteúdo líquido na mistura é de 20-40% por peso. Opcionalmente, um ou mais ajustadores de PH e/ou um agente tensioactivo pode também ser adicionado à mistura, nesta altura. A água aquecida é colocada na camisa de água 4 que rodeia o vaso 2 e a camisa de água aquecida aquece depois a mistura a uma temperatura de normalmente 30-60°, mais preferivelmente 30-40° e mantém a mistura nesta temperatura durante 30-120 minutos. O motor 8 acciona o agitador 6, que agita a mistura no vaso 2 com agitação suave (isto é, baixo cisalhamento) enquanto a mistura é mantida no vaso 2. A mistura é mantida à temperatura desejada no vaso 2 para um período de tempo suficiente para permitir que o conteúdo de amido seja preparado para hidratação total. Quando a mistura tiver estado no vaso 2 durante tempo suficiente, a válvula 12 está aberta para permitir que a mistura saia do vaso através da saída 10 . A bomba 14 bombeia a mistura sob condições de baixo cisalhamento do vaso 2 através da primeira linha de fornecimento 16 para o reactor 18.

Referindo novamente a Figura 2, quando a mistura atinge o ou cada dispositivo de activação de amido 100 que forma o reactor 18, a mistura vai passar para o dispositivo 100 através da entrada 24 e para fora da saída 26. 0 fluido de transporte, 11/21 o qual é vapor, é alimentado a partir do fornecimento de fluido de transporte 50 a uma pressão preferida de entre 5-7 Bar para, ou cada, entrada de fluido de transporte 32 através da linha de fornecimento de fluido de transporte 48. A introdução do fluido de transporte através da entrada 32 e a câmara 30 provoca a emissão de um jacto de vapor através do bocal 38 a uma velocidade muito elevada, de preferência supersónica. À medida que o vapor é injectado na mistura, um movimento e transferência de massa ocorre entre os dois que resulta, preferencialmente, na atomização do componente de fluido activo da mistura para formar um regime de fluxo de goticulas disperso. Esta transferência é melhorada através de turbulência. O vapor aplica, preferencialmente, uma força de cisalhamento à mistura a qual, não só atomiza o componente de fluido activo mas também interrompe a estrutura celular da matéria-prima suspensa na mistura, de tal modo que os grânulos de amido presentes são separados da matéria-prima.

Os efeitos do processo na temperatura e pressão da mistura podem ser vistos no gráfico da Figura 3, que mostra o perfil da temperatura e pressão à medida que a mistura passa através de vários pontos no movimentador de fluido 100 da Figura 2. O gráfico foi dividido em quatro secções A-D, as quais correspondem a várias secções do movimentador de fluido 100. A Secção A corresponde à secção da passagem 22 entre a entrada 24 e o bocal 38. A Secção B corresponde à secção a montante da câmara de mistura 25, estendendo-se entre o bocal 38 e uma porção intermédia da câmara 25.

A secção C corresponde a uma secção a jusante da câmara de mistura 25, estendendo-se entre a porção intermédia acima mencionada da câmara 25 e a saida 26, enquanto a secção D 12/21 ilustra a temperatura e pressão da mistura à medida que passa através da sarda 26. 0 vapor é injectado na mistura no inicio da secção B do gráfico da Figura 3. A velocidade do vapor, o qual é preferencialmente injectado a uma velocidade supersónica, e a sua expansão após sair do bocal 38, pode causar uma redução imediata de pressão. Num ponto determinado pelo vapor e condições geométricas, e a uma taxa de calor e transferência de massa, o vapor pode começar a condensar, reduzindo ainda mais a pressão e levando a um aumento da temperatura. A condensação de vapor pode continuar e formar a onda de choque de condensação na secção a jusante da câmara de mistura 25. A formação de uma onda de choque de condensação leva a um aumento rápido na pressão, como pode ser visto na secção C da Figura 3 . A Secção C também mostra que a temperatura da mistura também continua a aumentar através da condensação do vapor.

Como acima explicado, à medida que o vapor é injectado na mistura através do bocal 38 pode ocorrer uma redução de pressão na secção a montante da câmara de mistura 25. Esta redução na pressão forma, pelo menos, um vácuo parcial nesta secção a montante da câmara 25 adjacente à saída do bocal 39.

Os testes revelaram que pode ser conseguido um vácuo de, aproximadamente, 90% na câmara 25 à medida que o vapor é injectado e, subsequentemente, condensa.

Como anteriormente indicado, a força de cisalhamento aplicada à mistura e o subsequente fluxo turbulento criado pelo vapor injectado, interrompe a estrutura celular da matéria-prima na mistura, libertando os grânulos de amido da matéria-prima. À medida que a mistura passa através do vácuo parcial e a onda de choque de condensação formada na câmara 25, é ainda mais 13/21 interrompida pelas alterações na pressão que ocorrem, como ilustrado pelo perfil de pressão nas secções B e C da Figura 3. Ά medida que os grânulos de amido são separados da matéria-prima no reactor 18, os grânulos são quase de imediato adicionalmente hidratados, aquecidos e activados devido à introdução do vapor. 0(s) dispositivo(s) 100 que compreende(m) o reactor 18 bombeia(m) simultaneamente e aquece(m) a mistura e completa(m) a hidratação e activa(m) ou gelatiniza(m) o conteúdo de amido à medida que a mistura passa. Adicionalmente, o reactor 18 junta as enzimas com a mistura, providenciando uma distribuição homogénea e altos niveis de contacto com o amido, o qual está agora numa fase liquida. A temperatura da mistura à medida que deixa o reactor 18 está, preferencialmente, entre 74-76 °C. Onde o reactor 18 compreende um número de dispositivos de activação de amido em série, a pressão do vapor fornecido para cada movimentador de fluido pode ser individualmente controlada por meios de condicionamento de fluido de transporte (não mostrado), de modo a que a temperatura óptima da mistura seja apenas atingida à medida que sai do último movimentador de fluido na série. Os meios de condicionamento do fluido de transporte podem ser anexados directamente ao fornecimento de fluido de transporte 50, ou então, podem estar localizados nas linhas de fornecimento de fluido de transporte 48. A temperatura na qual a mistura deixa o reactor 18 é seleccionada para evitar qualquer dano por calor do conteúdo da mistura durante o estágio de activação.

Contudo, esta temperatura pode estar abaixo da temperatura para desempenho óptimo da enzima de liquefacção, e assim a temperatura da mistura pode necessitar de ser elevada sem 14/21 sujeitar a mistura a temperaturas excessivamente altas ou forças de cisalhamento adicionais. Este aquecimento suave é conseguido usando a TCU 52 opcional, a jusante do reactor 18.

Como acima descrito, a TCU 52 compreende um ou mais movimentadores de fluido do tipo ilustrado na Figura 2. Onde exista mais do que um movimentador de fluido na TCU 52, estão perfeitamente dispostos em séries. A pressão do vapor fornecido ao(s) movimentador(es) de fluido da TCU 52 é controlada de modo a que seja comparativamente baixa quando comparada com aquela do vapor fornecido ao(s) dispositivo(s) 100 do reactor 18. Uma pressão de entrada de vapor preferida para o(s) movimentador (es) de fluido da TCU está entre 0,5-2,0 Bar. Consequentemente, a velocidade do fluido de transporte é muito inferior, por isso, não é aplicada força de cisalhamento ou choque de condensação à mistura pelo vapor injectado, à medida que a mistura passa através da TCU 52. Em vez disso, a TCU 52 usa apenas o vapor de baixa pressão para suavemente elevar a temperatura da mistura.

Uma vez que tenha passado através da TCU 52, a mistura está, preferencialmente, a uma temperatura de entre 83-85 °C. A mistura flui então para jusante através da segunda linha de fornecimento 54 para o segundo vaso 56. A camisa de água 58 do segundo vaso recebe a água aquecida, a qual mantém a mistura na temperatura acima mencionada. A mistura é mantida no segundo vaso 56 durante um tempo de retenção suficiente para permitir às enzimas converter ou hidrolisar o conteúdo de amido em dextrinas mais curtas. Durante esse tempo de retenção, o motor 62 acciona o agitador 60 para agitar, suavemente, a mistura. Foi descoberto que aproximadamente 30 minutos é um tempo de retenção suficiente no actual processo, comparado com um tempo de retenção típico de 120 minutos nos processos de liquefacção existentes. 0 progresso de conversão é monitorizado durante 15/21 o tempo de retenção, ao medir o equivalente de dextrose (DE) da mistura. No final do tempo de retenção, a mistura pode ser transferida para um tanque de fermentação (não mostrado) através da saída 64 e válvula de controlo 66 do segundo vaso 56 .

Usando um dispositivo de activação de amido do tipo descrito permite à presente invenção aquecer e activar o conteúdo de amido na mistura, enquanto evita a criação de regiões de calor extremo, as quais danificam o conteúdo de amido. A prevenção destas regiões também reduz ou elimina os efeitos Maillard provocados pela reacção de proteínas com o amido extraído. Estas reacções podem evitar a conversão do amido em açúcar e, deste modo, reduzir o rendimento. Além disso, a mistura por agitação suave e bombeamento de baixo cisalhamento a uma temperatura inferior também assegura que não existam forças de cisalhamento elevadas, as quais possam danificar o conteúdo de amido da mistura, enquanto mantida num vaso ou sendo transportada entre vasos. Tal dano limita o rendimento de glicose disponível da matéria-prima. 0(s) dispositivo(s) de activação de amido do reactor também assegura(m) que os componentes da mistura sejam mais cuidadosamente misturados do que é possível usando simples pás do agitador e/ou circuitos de recirculação. A atomização do componente líquido da mistura assegura ainda mais uma mistura mais homogénea da mistura do que previamente possível. Esta mistura melhorada aumenta a eficiência da enzima na conversão do amido em dextrinas mais curtas, reduzindo o tempo para conseguir os valores DE desejados na mistura quando comparado com processos existentes. 16/21

Alternativamente, se desejado, este processo conseguirá valores DE mais elevados do que o possível com processos existentes. A acção de cisalhamento e choque de pressão/condensação, aplicados ao componente de matéria-prima da mistura, quando no reactor, melhora ainda mais o desempenho da presente invenção, na medida que expõem mais estrutura celular da matéria-prima.

Isto permite, virtualmente, que todos os grânulos de amido na matéria-prima sejam separados, providenciando assim taxas de activação de amido melhoradas comparativamente com processos convencionais, na medida em que a activação enzimática é suplementada pela activação mecânica no reactor. Isto também permite o processo para providenciar um rácio de conversão de amido em açúcar de substancialmente 100%. 0 processo da presente invenção, deste modo, pode apenas requerer que a mistura passe uma vez através do reactor antes de estar pronta para passar pelo segundo vaso para o estágio de conversão. Deste modo, os rendimentos são bastante melhorados na medida em que não há tempo para as perdas acumularem durante o processo.

Expor mais amido também significa que é necessária menos enzima para atingir o valor DE desejado de 12-18 antes de a mistura ser transferida para o processo de sacarificação e fermentação. Adicionalmente, o choque de pressão/condensação mata bactérias a uma temperatura relativamente baixa, reduzindo assim as perdas em processo de fermentação subsequente.

Foi também descoberto que o processo e dispositivo da presente invenção podem também melhorar as taxas de fermentação no 17/21 processo de fermentação subsequente. A hidratação melhorada da presente invenção também hidrata algumas proteínas na matéria-prima. Estas proteínas hidratadas actuam como matéria-prima adicional para a levedura que está a fermentar, melhorando assim o desempenho de fermentação da levedura.

Em resumo, foi descoberto que o processo e dispositivo da presente invenção providenciam um número de vantagens sobre as aplicações existentes. Estas vantagens incluem um aumento de até 14% em rendimento de amido para açúcar, uma redução de até 50% da quantidade da enzima de liquefacção requerida, uma redução de até 75% no tempo de retenção para a conversão ocorrer, e uma redução de até 30% no tempo utilizado para a subsequente fermentação dos açúcares convertidos em álcool.

Como acima descrito, o reactor pode compreender uma pluralidade de dispositivos de activação de amido dispostos em série e/ou paralelos. Onde o reactor compreenda grupos de quatro ou mais dispositivos em série, a mistura não precisa de ser mantida no intervalo de temperatura desejado de 30-60 °C, enquanto é desenvolvida no primeiro vaso. Em vez disso, como cada dispositivo no reactor injecta fluido de transporte de alta pressão na mistura, a temperatura da mistura à medida que sai do primeiro vaso, apenas precisa de estar a 20-30 °C, neste caso. Um aditivo antibiótico pode ser adicionado ao mesmo tempo que a primeira enzima, se desejado. Reduzir a temperatura da mistura para 20-30 °C reduz a necessidade de controlo de infecção com antibiótico.

Apesar da presente invenção apenas precisar de utilizar um dispositivo de activação de amido no reactor, se a taxa de fluxo do processo necessária o requerer, o reactor pode compreender uma combinação de movimentadores de fluido em série e/ou paralelos. Isto pode também ser o caso com a unidade de 18/21 condicionamento de temperatura composta por um ou mais dos ditos movimentadores de fluido. 0 aparelho pode também incluir um ou mais tubos de recirculação, os quais podem, selectivamente, recircular a mistura a jusante do dispositivo de activação de amido para montante do dispositivo, de modo a que a mistura possa passar através do dispositivo mais de uma vez, se necessário. Onde incluído, o primeiro vaso pode também incluir tal disposição de modo a que a mistura possa passar através do primeiro vaso mais do que uma vez, se necessário.

Em vez de ter camisas de água, o primeiro e/ou segundo vaso podem, alternativamente, compreender uma camada de isolamento na superfície exterior dos mesmos. Esta camada de isolamento mantém a temperatura da mistura dentro do vaso nos intervalos desejados acima indicados. 0 fluido activo pode ser pré-aquecido por meios de aquecimento externos (não mostrados) antes de ser misturado com a matéria-prima. A temperatura da mistura é mantida na temperatura desejada no vaso 2 usando a camisa de água aquecida 4 ou a camada de isolamento. A bomba centrífuga de baixo cisalhamento, a qual move a mistura do primeiro vaso para o reactor, pode ser substituída por qualquer outra bomba de baixo cisalhamento adequada, tal como uma bomba de membrana ou bomba peristáltica, por exemplo.

Apesar da unidade de condicionamento de temperatura (TCU) descrita em cima compreender um ou mais movimentadores de fluido do tipo mostrado na Figura 2, podem ser substituídos por um permutador de calor. 0 permutador de calor pode ser um permutador de carcaça e tubo com a mistura a passar através de um tubo e a água aquecida a passar através da carcaça que rodeia o tubo. 19/21 A concentração preferida da enzima de liquefacção na mistura, durante o desenvolvimento no primeiro vaso, assume uma média de 15% de conteúdo de humidade na matéria-prima e um conteúdo de amido médio de 75% de peso seco.

Apesar de a enzima ser preferencialmente introduzida na mistura a montante do dispositivo de activação de amido, a enzima pode também ser introduzida no dispositivo ou, de outro modo, a jusante do dispositivo após a activação do conteúdo de amido.

Apesar de a forma de realização ilustrada da invenção incluir o primeiro e segundo vasos para gerir a mistura, deverá ser apreciado que a invenção não necessita de incluir os vasos para providenciar as vantagens assim destacadas. Em vez de um primeiro vaso, o primeiro meio de hidratação pode ser um tubo ou um dispositivo de mistura em linha no qual a matéria-prima, fluido activo e enzima são introduzidos a montante do dispositivo de activação de amido. De forma semelhante, o segundo vaso pode ser substituído por tubagens, nas quais ocorre a conversão do amido activado em açúcar.

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Claims

REINVIDlCAÇOES 1. Um processo para o tratamento de uma matéria-prima com base em amido compreendendo: misturar a matéria-prima com base em amido juntamente com o fluido activo para formar uma mistura; hidratar a matéria-prima com base em amido com o fluido activo; adicionar uma enzima de liquefacção à mistura; bombear a mistura para uma passagem de diâmetro substancialmente constante (22) de um dispositivo de activação de amido (100); e injectar um fluido de transporte de alta velocidade na mistura através de um bocal (38) que comunica com a passagem (22), hidratando assim ainda mais a matéria-prima, com base em amido, e activando o conteúdo de amido da mistura; onde o fluido activo é água e o fluido de transporte é vapor.
2. O processo da Reivindicação 1, em que o passo de hidratar inclui aquecer a mistura e/ou mantê-la numa primeira temperatura predeterminada no intervalo de 30-60 °C dentro de um primeiro vaso (2) durante um periodo de tempo predeterminado.
3. O processo da Reivindicação 2 compreende ainda o passo de transferir a mistura para um segundo vaso (56) do dispositivo de activação de amido (100), e manter a mistura numa segunda temperatura predeterminada mais elevada do que a primeira temperatura predeterminada no segundo vaso (56) durante um segundo periodo de tempo predeterminado. 1/6 4. 0 processo da Reivindicação 3, em que o passo de transferir a mistura para o segundo vaso (56) inclui passar a mistura através de uma unidade de condicionamento de temperatura (52) para elevar a temperatura da mistura da primeira temperatura predeterminada para a segunda temperatura predeterminada. 5. 0 processo da Reivindicação 3 ou Reivindicação 4 compreende ainda o passo de agitar a mistura no primeiro e segundo vasos (2, 56) durante o respectivo primeiro e segundo períodos de tempo. 6. 0 processo de qualquer reivindicação precedente, em que o vapor é injectado a uma velocidade supersónica. 7. 0 processo de qualquer reivindicação precedente, em que o passo de injecção do vapor compreende a injecção do vapor na mistura através de uma pluralidade de bocais (38), comunicando com a passagem (22). 8. 0 processo de qualquer reivindicação precedente, em que o passo de injecção de vapor na mistura ocorre numa única passagem da mistura através do dispositivo de activação de amido (10 0) . 9. 0 processo de qualquer uma das Reivindicações 1 a 7, em que o passo de injecção do vapor inclui circular a mistura através do dispositivo de activação de amido (100) . 10. 0 processo de qualquer reivindicação precedente, em que o bombeamento da mistura é realizado usando uma bomba de baixo cisalhamento (14) .
11. Um aparelho para tratar a matéria-prima com base em amido, o aparelho compreendendo: 2/6 meios de hidratação para misturar e hidratar a matéria-prima com um fluido activo para formar uma mistura; e um dispositivo de activação de amido (100) na comunicação de fluido com os meios de hidratação; onde o dispositivo de activação de amido (100) compreende: uma passagem (22) de diâmetro substancialmente constante tendo uma entrada (24) em comunicação de fluido com os meios de hidratação e uma saída (26); e um bocal (38) de fluido de transporte que comunica com a passagem (22) e é adaptado para injectar fluido de transporte de alta velocidade na passagem (22). 12. 0 aparelho da Reivindicação 11, em que os meios hidratantes podem compreender meios de aquecimento para aquecer o fluido activo e/ou a mistura. 13. 0 aparelho da Reivindicação 12, em que os meios de hidratação compreendem um primeiro vaso (2) tendo uma saída (10) em comunicação de fluido com a entrada (24) da passagem (22) . 14. 0 aparelho da Reivindicação 13, em que os meios de aquecimento compreendem uma camisa de água aquecida (4) que rodeia o primeiro vaso (2). 15. 0 aparelho da Reivindicação 12 ou Reivindicação 13, em que o meio de aquecimento é afastado do meio de hidratação. 16 . 0 aparelho da Reivindicação 13 compreende ainda um segundo vaso tendo uma entrada em comunicação de fluido com a saída (26) da passagem (22). 3/6 17. 0 aparelho da Reivindicação 16, em que o segundo vaso (56) inclui meios de isolamento para isolar os conteúdos do segundo vaso (56) . 18. 0 aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 15 compreende ainda uma secção de tubo de retenção tendo uma entrada em comunicação de fluido com a saída (26) da passagem (22) . 19. 0 aparelho da Reivindicação 18, em que o tubo de retenção pode incluir meios de isolamento para isolar os conteúdos do tubo de retenção à medida que passam.
20. O aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 19, em que o bocal (38) de fluido de transporte é anular e circunscreve a passagem (22). 21. 0 aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 20, em que o bocal (38) do fluido de transporte tem uma entrada (35) , uma saída (39) e uma porção estreita (37) intermédia à entrada (35) e uma salda (39), em que a porção estreita (37) tem uma área transversal a qual é menor do que a entrada (35) e a saída (39) . 22. 0 aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 21 compreende ainda um fornecimento de fluido de transporte (50) adaptado para fornecer um fluido de transporte ao bocal (38) do fluido de transporte. 23. 0 aparelho da Reivindicação 22 compreendendo uma pluralidade de dispositivos (100) de activação de amido em série e/ou paralelos uns aos outros, em que o fornecimento de fluido de transporte (50) é adaptado para fornecer fluido de 4/6 transporte ao bocal (38) de fluido de transporte para cada dispositivo (100). 24. 0 aparelho da Reivindicação 23 compreendendo uma pluralidade de linhas de fornecimento de fluido de transporte (48) que ligam o fornecimento de fluido de transporte (50) a cada bocal (38), em que cada linha de fornecimento de fluido de transporte (48) inclui meios de condicionamento de fluido de transporte.
25. O aparelho da Reivindicação 24, em que os meios de condicionamento de fluido de transporte são adaptados para variar a pressão de fornecimento do fluido de transporte ao seu respectivo bocal (38). 26. 0 aparelho da Reivindicação 22 compreendendo um fornecimento de fluido de transporte (50) para cada bocal (38) de fluido de transporte.
27. O aparelho da Reivindicação 26, em que cada fornecimento de fluido de transporte (50) inclui meios de condicionamento de fluido de transporte.
28. O aparelho da Reivindicação 27, em que cada meio de condicionamento é adaptado para variar a pressão do fluido de transporte a cada respectivo bocal (38).
29. O aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 28 compreendendo ainda uma unidade de condicionamento de temperatura (52), localizada a jusante do dispositivo de activação de amido (100), a unidade de condicionamento de temperatura adaptada para aumentar a temperatura do fluido que deixa a passagem (22) do dispositivo (100) . 5/6
30. O aparelho de qualquer uma das Reivindicações 11 a 29 compreendendo ainda um tubo de recirculação adaptado para permitir a recirculação de fluido a jusante do dispositivo (100) de activação de amido para a montante do dispositivo (100) de activação de amido. Lisboa, 6 de Dezembro de 2011 6/6