BIORREFINERÍA MULTIFUNCIONAL

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la producción de biocombustibles y otros productos químicos en una biorrefinería multifuncional .

Estado de la técnica

Durante los últimos años, se ha venido observando una tendencia creciente a mezclar los hidrocarburos de origen fósil con biocombustibles en un porcentaje que ha de ir incrementándose paulatinamente. Así, la Directiva Europea 2009/28/CE indica los porcentajes en energía de mezcla obligatoria de cara al 2020.

Estos hechos muestran un camino que sin lugar a dudas y tal y como se presenta el panorama energético internacional, conduce a la necesidad de un nuevo concepto de desarrollo industrial, el concepto de biorrefinería .

Durante estos últimos años hemos visto cómo numerosos proyectos de biocarburantes mal planteados desde un punto de vista estratégico han ido fracasando y se han visto abocados al cierre o a un funcionamiento a niveles muy inferiores a la capacidad instalada. Los principales problemas hasta ahora han sido provocados por la volatilidad del mercado y uso de materias primas producidas en otros países o con un riesgo elevado de volatilidad. Ejemplos de estas materias primas son por ejemplo el aceite de soja neutro desgomado y los cereales.

Se propone por lo tanto con el proceso industrial de la presente invención la ejecución de un proyecto de biorrefinería capaz de funcionar con materia prima autóctona, fundamentalmente remolacha y otras materias primas, en un proceso multifuncional.

De esta manera, con la presente invención se presenta además un modelo industrial capaz de regenerar a nivel agro-industrial antiguas zonas azucareras que tuvieron que cerrar sus fábricas como consecuencia de la organización común de mercados (OCM) en el sector del azúcar. De hecho, estas biorrefinerias pueden, además de producir biocarburantes , producir azúcar mediante la duplicación de lineas. De este modo, es posible generar un modelo industrial capaz de trabajar 8.000 h al año y, por ende, crear una base a partir de la cual se pueda garantizar una producción de azúcar con precios rentables por tonelada de remolacha para el agricultor. Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un proceso llevado a cabo en una biorrefineria multifuncional, en la cual se va a producir bioetanol, energía y productos químicos. De este modo, es un primer objeto de la invención un proceso para la producción de bioetanol, energía y productos químicos a partir de biomasa caracterizado porque comprende:

(a) un proceso principal de producción de bioetanol;

(b) un proceso secundario de producción de biocombustibles y/o productos químicos a partir del bioetanol y/o de los subproductos de la producción de bioetanol;

donde el proceso principal de producción de bioetanol a su vez comprende:

(c) obtener un jugo de difusión a partir de la biomasa (preferentemente remolacha o caña) empleada como materia prima, siendo dicho jugo de difusión separado de un residuo o pulpas;

(d) someter el jugo de difusión obtenido en la etapa anterior a un proceso de fermentación alcohólica y posterior destilación y deshidratación .

De este modo, además del proceso principal de producción de bioetanol, la biorrefineria puede incorporar distintas líneas para la producción de azúcar, biocombustibles de nueva generación y otros bio-polímeros o bioproductos .

El proceso industrial comienza con la recepción de camiones de materia prima (preferentemente remolacha) en la fábrica. En un primer momento, es posible tomar una muestra de dicha materia prima (preferentemente remolacha) con la intención de medir su grado de riqueza en azúcar e impurezas .

En una realización particular en la que la materia prima consista en remolacha, dicha remolacha puede pasar a al menos un silo de descarga o solera a partir del cual puede conducirse a un proceso de limpieza. Sin que sea limitante, dicho proceso de limpieza puede comprender el paso de la remolacha a través de unos canales de desherbado y despedrado, seguido de su paso a través de un lavadero de tambor. Tras el lavadero de tambor, la remolacha puede ser sometida a un proceso de cortado en tiras finas denominadas cosetas en un molino de cuchillas. Posteriormente, las cosetas pueden pasar a un precalentador o escaldador, conectado con el difusor, donde son calentadas preferentemente hasta una temperatura de al menos 45-50°C y un máximo de 70-75°C, con la intención de mejorar la extracción en difusión. Esta fase es opcional, pudiendo las cosetas pasar de corte a difusión directamente.

Las cosetas son introducidas a continuación en al menos un difusor con el objeto de extraer un jugo azucarado o jugo de difusión, que es separado de las pulpas.

En una realización particular de la invención, las pulpas sufren un proceso de prensado y filtrado de tal manera que el jugo recuperado se deriva con la salida del jugo de difusión (jugo recuperado) .

El jugo de difusión, tanto de salida directo como recuperado, se lleva preferentemente a fermentar. No obstante, anteriormente a la misma, el jugo es preferentemente sometido a procesos de filtrado, deslodado o desarenado. De manera particular, puede ser sometido asimismo a procesos de esterilización, enfriamiento, adición enzimática y control de calidad.

El jugo de difusión o azucarado es llevado a unos fermentadores y sometido a un proceso de fermentación alcohólica. Después de la fermentación, el jugo es clarificado y dirigido hacia un proceso de destilación en diferentes columnas. Hay que destacar que en cualquier momento se podrá optar por incluir tanques pulmón y redistribuciones de forma estratégica, en función de las condiciones de cumplimiento de los parámetros. El dióxido de carbono de salida puede ser sometido a un proceso de limpieza o lavado para recuperar etanol, de tal manera que por una parte se obtiene etanol que puede ser recuperado hacia la linea de desgasificación y destilación, y por otra parte se obtiene dióxido de carbono limpio, que puede emplearse con diferentes usos en la planta, como por ejemplo producir biomasa de algas, cultivar algas alimentadas con dicho CO ₂ , producir biocarburantes y/o aceites a partir del cultivo de microalgas, o licuar el CO ₂ y almacenarlo en la planta.

Por otra parte, las pulpas pueden llevarse a al menos un tambor rotatorio de secado y al menos un secadero donde se someten preferentemente a una temperatura de al menos 75°C, para posteriormente pasar a ser pelletizadas .

El jugo fermentado puede pasar a continuación por un proceso de agotamiento, purificación y rectificación.

Previo a las columna/s de agotamiento puede instalarse al menos un desgasi ficador para eliminar dióxido de carbono. Una vez desgasificado, el jugo pasa por un proceso de agotamiento, eliminando sólidos, y posteriormente pasa a una columna de purificación donde se eliminan ligeros. Después de la columna de purificación se utiliza una columna de rectificación para obtener etanol en el punto azeotrópico, separar aceites de fusel, resto de ligeros y colas (agua principalmente) .

Tras el proceso de destilación el etanol es deshidratado, sin que sea limitante, en un proceso de lecho de zeolitas. Este lecho trabaja preferentemente de forma doble, de modo que mientras una parte del lecho deshidrata, la otra se limpia. A la salida del lecho de zeolitas, es posible obtener etanol a una pureza del 99,8%, que puede ser almacenado para su venta.

Esta linea de trabajo puede funcionar durante el periodo agronómico de campaña de la materia prima (preferentemente remolacha) . No obstante, y debido a que hay zonas donde este cultivo a fecha de hoy no se puede utilizar de forma continuada, de manera particular es posible dotar a la planta de una capacidad multifuncional de trabajo.

Es decir, sobre la base industrial ya citada, será posible emplear otras materias primas con el objeto de aumentar el tiempo de uso de la fábrica.

Las posibilidades de uso de otras materias primas son múltiples, ya que son todas aquellas susceptibles de generar disoluciones azucaradas. No obstante, se definen a continuación y sin que sean limitantes las lineas complementarias siguientes:

a) Cereales: Dichos cereales, tras su recepción en la planta, y tras verificar el cumplimiento de criterios de calidad, son almacenados preferentemente en silos. Los cereales son sometidos a un proceso de molienda, que puede ser tanto húmeda como seca, y posteriormente a la misma se obtiene una mezcla o disolución rica en almidón y proteínas que es sometida a un proceso enzimático en dos etapas: una primera de ruptura endoenzimática (licuefacción) y una segunda, previa a la entrada en fermentación de ruptura exoenzimática (sacarificación) .

A partir de la fermentación, el proceso es común al ya descrito anteriormente, si bien tendrá diferencias propias del contenido del mosto. Es de destacar la obtención de DDG's a partir de la materia orgánica separada en agotamiento y tras pasar por decantadores centrífugos ;

b) Otra posibilidad es la de almacenar jarabes concentrados o melazas de tal manera que se puedan utilizar los mismos fuera de campaña. Esta posibilidad consiste en almacenar dichos jarabes o melazas en torno a 60-85°Brix, de tal manera que fuera de campaña de remolacha dichos jarabes y/o melazas se puedan rehidratar hasta condiciones óptimas para su fermentación. A partir de la fermentación, el proceso será común al descrito anteriormente; c) Caña de azúcar; con la caña también obtendremos un jugo azucarado cuyo azúcar principal será la sacarosa. De esta manera, a partir de fermentación, el proceso también será común. No obstante, habrá un proceso de recepción y limpieza previo de la caña, una linea de cortado y una linea de extracción que podrá utilizar trapiches y/o difusión. De una o de otra forma, además de jugo azucarado se obtendrá un residuo (bagazo) , que puede utilizarse como biomasa en un ciclo Rankine Orgánico, o como entrada de procesos de segunda generación de la Biorrefineria;

d) Alcoholes vínicos con entrada en la línea de destilación;

e) Línea de segunda generación: de esta manera, es posible tener una línea de obtención de jugos azucarados a partir de materiales lignocelulósicos y/o celulósicos. Sin que sea limitante para la invención, es posible tener una línea de tratamiento ácido, básico y/o enzimático de tal manera que una vez se obtenga un jugo azucarado fermentable, se lleve el mismo hacia fermentación en la Biorrefineria . Además, en caso de obtenerse bioetanol en la planta por otro tipo de procesos como pueden ser termoquímicos , es posible llevarlo a tanques de almacenamiento y almacenarlo de forma conjunta;

f) Otras materias primas susceptibles de generar un jugo azucarado fermentable.

Una parte importante en la biorrefineria es la alimentación energética de la misma, de tal manera que junto a la planta de producción de biocarburante descrita, es posible utilizar y/o instalar una planta de biomasa en el complejo para generar electricidad y vapor o electricidad y ACS . De este modo, es posible tener una turbina de gas (ciclo Brayton) , a partir de la cual se obtiene energía eléctrica y gases de escape. A su vez, los gases de escape pueden utilizarse para generar vapor con dos posibilidades: la utilización de un sistema de cogeneración con ciclo combinado o solo con turbina de gas natural, de tal manera que la planta cuenta con dicho módulo unido a la planta de bioetanol mixta. De este modo, o bien se puede generar vapor directo a proceso, o bien se puede generar vapor para alimentar una turbina de contrapresión. En este caso, el objetivo es poder obtener en ciclo Rankine energía eléctrica previa a la extracción de vapor para alimentar el proceso. En función de los ratios de la planta de producción de bioetanol/potencia turbina gas, con esta última opción se puede hasta alcanzar un 69 % de rendimiento eléctrico equivalente. Además, y sin que sea limitante, es posible instalar una turbina de condensación .

Adicionalmente, es posible utilizar las vinazas y/u otros residuos de la planta o foráneos para la producción de biogás .

En una realización preferente de la invención, el bioetanol generado puede utilizarse como intermedio en la planta y no solo como producto final, con objeto de producir alguno de los compuestos siguientes: etileno, acetaldehído e hidrogeno, butadieno, olefinas y butanol principalmente, sin descartar otras posibilidades.

EJEMPLOS

Ejemplo 1

Se presenta a continuación el ejemplo de una planta que va a trabajar con 2.000 Tm/remolacha al año.

A la entrada de la fábrica llegan los camiones con la remolacha. En la entrada, se realiza un control de peso y una muestra-tara. Además, la muestra sirve para que el laboratorio pueda analizar la riqueza en sacarosa, dato éste significativo para el pago por Tm.

Los camiones descargan la remolacha en el silo o solera y después, tras ser pesados nuevamente, salen del recinto industrial .

La remolacha es llevada del silo hacia el canal de lavado por pistones hidráulicos o pala volteadora, donde se produce un despedrado en primer lugar. Este despedrado se realiza por gravedad, hundiéndose las piedras y flotando la remolacha. Posteriormente, se realiza un proceso de desherbado mecánico con sistemas como por ejemplo horcas o ganchos .

Una vez realizado el desherbado y despedrado, la remolacha es llevada al lavadero mediante una bomba de remolacha o pala alzadora, donde es lavada en un lavadero de tambor y de éste pasa a los molinos corta-raiz o molinos de cuchillas.

Los molinos de cuchillas cortan la remolacha en cosetas, tiras finas con forma de teja, siendo el objetivo aumentar el rendimiento en la extracción por difusión.

Las cosetas pasan por un calentador donde son calentadas a una temperatura de 55-60°C y de éste son introducidas en un proceso de difusión en contracorriente con agua caliente (72°C aproximadamente) y otros consumibles, como por ejemplo ácido sulfúrico, en un porcentaje por debajo de 1%.

De manera particular, se pueden instalar dos lineas de corte de molinos y dos difusores de 1.000 Tm/dia cada uno de capacidad. Finalmente, se obtiene una salida de 40 m ³ /h de cada uno de los difusores con un contenido de entre 16- 18°Brix.

Además, en los difusores se obtendrán también pulpas en una proporción de entre 0,7 y 0,75 kg de pulpas cada 10 kg de remolacha. Las pulpas a la salida del difusor van a ser prensadas en filtros prensa, recuperándose por un lado jugo azucarado que se derivará a la linea principal de jugo y pulpas prensadas.

Las pulpas prensadas sufren un segundo proceso de recuperación de jugo en tambor rotatorio a la par de un primer secado. El jugo se derivará de nuevo a la linea principal y las pulpas pasarán al secadero horizontal principal para secado y posterior pelletizado.

Tendremos por lo tanto dos linea de jugo, ambas de 40 m ³ /h, que se derivarán a fermentar. No obstante, previamente el jugo pasará por filtros de rejillas y/o filtros cestas y un deslodador y/o desarenador. El jugo antes de fermentar será sometido también a un proceso (sin que sea obligatorio ni limitante) de esterilización en U.H.T (p=4 bares, T=141,1°C, t=4,5 seg.) y enfriamiento en dos etapas. El segundo enfriamiento podrá ser realizado con el agua de entrada de difusión y/o precalentamiento, mejorando asi el rendimiento térmico en la planta.

Una vez esterilizado y enfriando podría realizarse, sin que sea obligatorio, una adición de enzima invertasa o bien introducir la misma fijada en un medio obligando al jugo azucarado a pasar por el mismo. No obstante, en el ejemplo presente se decidió llevar el jugo una vez enfriado a fermentadores de acero inoxidable de 1.000 m ³ de capacidad. En los mismos, el jugo es fermentado mediante levaduras (sin que sea limitante el uso de bacterias), pudiendo además ser los microorganismos modificados o no genéticamente.

El jugo, una vez fermentado y con una graduación en torno a los 12°Baume, será clarificado y conducido a columnas de destilación. Previo a la destilación, se podrán instalar medios de desgasificación y tanque pulmón.

Una vez el jugo ha pasado por el desgasificador, entra en la zona de destilación comprendida, sin que sea limitante, por dos columnas de agotamiento, purificación y rectificación. La primera columna trabajará a 0,5 bares (presión absoluta), la segunda a 1,5 bares, la tercera columna (purificación) trabajará a 4 bares y la última (rectificación) a 7 bares.

En las columnas de agotamiento se separan los sólidos, mientras que en la columna de purificación se separan los ligeros. En la última columna de rectificación (realmente es una combinación de columnas de agotamiento y rectificación) se separan los ligeros sobrantes, aceites de fusel y colas, obteniendo etanol en punto azeotrópico.

De las columnas de agotamiento se obtienen vinazas que se someten a un proceso de centrifugación para obtener proteína microbiana fundamentalmente y posteriormente se pasan a un concentrador para su tratamiento. Después, las vinazas concentradas se llevan a lagunaje, y los ligeros y aceites de fusel se llevan a quemar en un equipo oxidador. El etanol en punto azeotrópico se lleva desde rectificación y en fase de vapor a deshidratar en un equipo de zeolitas de doble lecho de 3 Amstrong de diámetro.

El equipo podrá trabajar con uno de los lechos, mientras el otro se limpia para asegurar un funcionamiento en continuo.

Paralelamente, y fuera de campaña de la remolacha, en la planta se puede empezar a trabajar con cereales (maíz, trigo, cebada o centeno, entre otros) .

De esta manera se reciben camiones cargados de cereal, y una vez analizado que la materia prima cumple con los requisitos de calidad, los camiones la vuelcan en una rejilla de descarga a partir de la cual unas cintas de cangilones la descargan en los silos de almacenamiento. La planta puede contar con cuatro silos de 10.000 Tm cada uno y otros cuatro silos de día de 1.000 Tm. De los silos, el cereal pasa a un sistema de molienda en seco, sin ser limitante a que pudiera sustituirse por un modelo húmedo. De los silos, el cereal pasa por cadenas de transporte a la parte superior de una caseta de molienda de tal manera que la descarga será por gravedad. El cereal pasa en un primer momento por separadores magnéticos y de corrientes de Foucalt, de tal manera que se separen restos metálicos que de otra forma podrían ocasionar graves daños en equipos posteriores. Posteriormente, el grano pasa a mesas separadoras o tamices de densidad para separar otras impurezas. De las mesas tamiz el cereal pasa a molinos de martillos donde se obtiene una harina de cereal que, sin ser limitante, puede estar entre 3 y 5 mm de diámetro.

La harina de cereal pasará posteriormente a un mezclador con agua caliente en proporciones de mezcla adecuadas para un correcto bombeo (máximo 25% p/p de harina) . El jugo azucarado se derivará una vez preparada la disolución hacia un proceso enzimático en dos etapas: 1.- Licuefacción, 2.- Sacarificación.

La licuefacción se realizará, sin ser limitante a presión y con enzimas: beta glucanasas, alfa-amilasas, glucoamilasas (sin ser limitantes), etc., que realizarán una actividad endo-enzimática rompiendo las cadenas de almidón .

Posteriormente, y previo a la fermentación, se realizará la adición de enzimas, sin que sea limitante, tipo glucoamilasas , con el objetivo de realizar una función exoenzimática . De esta manera, durante la fermentación se irán liberando las glucosas de las que se nutrirán los microorganismos usados en la fermentación.

A partir de la fermentación, el proceso será común a lo descrito anteriormente con diferencias puntuales.

En el caso del cereal, se obtendrá mayor contenido de materia orgánica, sobre todo proteica, por las colas de agotamiento. Esta materia orgánica será separada por un decantador centrifugo para posteriormente pasar a ser secada en un secadero horizontal y pelletizada. Finalmente se obtendrá un DDG, pienso rico en proteina. En la linea con lo descrito anteriormente y al tener la planta por duplicado se presentará una planta con ocho fermentadores de 1.000 m ³ de capacidad. Cada cuatro fermentadores se dispondrá una linea de destilación y deshidratación como la ya descrita, con las ventajas de poder cambiar de materia prima tanto a nivel temporal como espacial, existiendo por lo tanto las posibilidades de trabajar:

1.000 Tm de remolacha con 1.000 Tm de remolacha (dos difusores de 1.000 Tm) ;

1.000 Tm de remolacha con 350 Tm de cereal;

700 Tm de cereal;

Sólo con 1.000 Tm de remolacha o sólo con 350 Tm de cereal .

Pudiera darse el caso de realizar el proceso sin duplicar lineas y con una sola linea, de modo que el exponer el proceso por duplicado no pretende ser limitante.

Para la alimentación energética y de vapor se instalará una turbina de gas de 25 MW de potencia eléctrica que será alimentada con 550 GW*h/año de gas natural. Los gases de escape de la turbina de gas se pasan por post-combustores y posteriormente, a una caldera de recuperación, donde obtendremos 45 Tm/h de vapor a 505°C y 80 bares. Este vapor se llevará a una caldera de contrapresión, donde se expandirá hasta 300°C y 7 bares, obteniendo 3,5 MW*h de energía eléctrica y el vapor necesario para alimentar las líneas de intercambiadores de calor. Se instalarán también equipos de frío para 18.000.000 kcal/h, más un equipo auxiliar de 2.000.000 kcal/h para verano. El sistema de aire comprimido estará aportado por dos compresores de tornillos de 50 kw de potencia pudiendo incluir además otros auxiliares.

Ejemplo 2

La Biorrefinería puede trabajar también con jarabes o melazas de tal manera que en la fábrica se instalen depósitos o tanques de acero inoxidable de 3.000 m ³ de capacidad donde se almacenan los jarabes o melazas a 80°Brix.

Estos jarabes o melazas podrán tener añadidos conservantes con el objeto de evitar degradaciones de azúcares por microorganismos osmófilos. Un ejemplo de conservante con el que se están obteniendo buenos resultados y que es económico es por ejemplo el hidróxido sódico (0,1-0,5% p/p, sin ser limitante) .

Estos jugos, una vez acabe el uso de remolacha como materia prima principal, podrán ser rehidratados en un mezclador hasta formar un jugo con 16-18°Brix, que se derivará hacia la línea de esterilización o hacia fermentación directamente. El proceso a partir de la fermentación será común.