Este pedido reivindica prioridade interna do pedido de patente BR 10 2012 0072990 8, depositado em 30 de março de 2012.

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um sistema e a um processo para a produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações, compreendendo o reaproveitamento de correntes de efluentes e tornando energeticamente eficiente a produção conjunta de etanol de primeira geração (1G), obtido a partir de caldo e/ou melaço de cana, milho, trigo, sorgo sacarino, matérias-primas amiláceas, beterraba branca, dentre outras, e segunda geração (2G), obtido a partir de biomassas lignocelulósicas como bagaço e palha de cana-de-açúcar, mas não limitado a elas, e/ou produtos afins. Mais especificamente, este é um processo integrado para produção de etanol e produtos afins com aumento de eficiência no uso de matéria-prima, vapor, energia elétrica e água tratada.

Antecedentes da Invenção

O grande potencial de utilização de biomassas para produção de etanol vem sendo demonstrado ao redor do mundo no decorrer dos anos, fazendo-se uso de diferentes configurações tecnológicas e a partir da utilização dos mais diversos tipos de biomassa, a saber: plantas C4 - pertencentes aos géneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, e combinações dos mesmos; bagaço de cana-de-açúcar (oriundo de moenda e/ou difusor); palha de cana-de-açúcar (resultante do processo de colheita da cana, manual ou mecanizado); palha de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada, aveia, milho e similares (e.g. capim-elefante "switchgrass"); madeira; troncos e talos de bananeira; cactáceas; papelão, serragem, jornal; resíduos agroindustriais ou municipais e combinações dos mesmos.

No Brasil, o negócio da cana-de-açúcar é tão antigo quanto a própria colonização do país (1532), ano da introdução das primeiras mudas da planta. No entanto, há mais de 500 anos, o Brasil utiliza apenas um terço do poder energético da cana - o caldo - para fazer açúcar e álcool. Assim, é possível falar em aumento de produtividade e redução de custos da cadeia bioenergética, não apenas através de avanços graduais das tecnologias em uso, mas também mediante o advento de novas tecnologias, como é o caso das tecnologias para produção de etanol de segunda geração, que possibilitarão o uso em larga escala dos outros dois terços da planta (biomassa, constituída por bagaço e palha).

Estes materiais - bagaço e palha de cana-de-açúcar - representam as biomassas mais indicadas para a produção de etanol a partir de fontes lignocelulósicas em nosso país, não apenas por apresentarem entre 40% e 50% de celulose, mas também pelo significativo volume gerado desses subprodutos em decorrência da produção de açúcar e do etanol 1G. Neste cenário, o desenvolvimento de um processo para produção de etanol 2G que considere integração térmica e de infraestrutura, principalmente, com a produção de etanol 1G parece a opção mais viável.

O presente pedido se refere, então, a um sistema e a um processo que permitem a instalação de uma planta (tecnologia) para produção de etanol de segunda geração anexa a uma planta convencional de primeira geração (independentemente da matéria-prima processada), considerando uso integral da biomassa, ou seja, açúcares obtidos a partir da extração do caldo e dos carboidratos presentes nos resíduos gerados (fibras). Esta estratégia possibilita a ampliação da capacidade produtiva de usinas de açúcar e álcool e também de destilarias autónomas espalhadas pelo mundo, através do aproveitamento de correntes e/ou efluentes atualmente disponíveis nas plantas hoje em operação, preservando-se a autossuficiência energética instalada, mediante o conceito de integração de processos. Este conceito visa, principalmente, otimizar o uso de energia e reduzir impactos ambientais causados por processos industriais. Deste modo, é objeto da presente invenção um processo para a produção conjunta (integrada) de etanol 1G/2G, compreendendo o reaproveitamento de correntes e efluentes gerados no processo 1G, com vistas ao suprimento de uma parcela importante da demanda energética necessária à operação da planta 2G.

A tecnologia para a produção de etanol de segunda geração (2G) no Brasil ainda atravessa um período de maturação e, no momento atual, ainda não dispõe de plantas instaladas e com capacidade relevante em escala comercial. Deste cenário, deriva uma excelente oportunidade para implementação dos objetos descritos neste pedido, por proporcionar em ganhos significativos relativos ao reaproveitamento energético e de efluentes.

Os documentos citados a seguir são referências do estado da técnica no que se refere a esquemas de aproveitamento energético e reutilização de correntes de processo, porém nenhum deles antecipa ou sugere a presente invenção.

A tese de doutorado intitulada "Modelagem e integração energética do processo de produção de etanol a partir de biomassa de cana- de-açúcar " (Bereche, R.P., defendida na Faculdade de Engenharia Mecânica ^" da UNICAMP em 21/07/2011) apresenta uma análise teórica das operações unitárias existentes em uma usina de açúcar e álcool (1G), além de possíveis tecnologias para a produção de etanol celulósico (2G). Na tese em questão, o autor cita a possibilidade de promover a integração energética entre as tecnologias 1G e 2G, mas restringe seu universo de aplicação à utilização de bagaço de cana para a produção de etanol 2G e ao sistema de evaporação de caldo como alternativa para integração energética dos processos supramencionados. O processo para a produção conjunta (integrada) de etanol 1G/2G revelado no presente pedido de patente difere da tese de doutorado mencionada por apresentar como fontes de matéria-prima para o etanol 2G todos os resíduos da lavoura da cana-de-açúcar e/ou de outras culturas (materiais lignocelulósicos), além de também apresentar soluções práticas e factíveis para a otimização do consumo de água de processo e o reaproveitamento de efluentes no ambiente industrial, com importantes benefícios ambientais. Deste modo, a tese em questão não antecipa o estado da técnica abordado no presente documento.

A dissertação de mestrado intitulada "Integração das Principais Tecnologias de Obtenção de Etanol Através do Processamento da Celulose (2 ^a Geração) nas atuais usinas de cana-de-açúcar (I ^a Geração) " (Bernardo Neto, O., defendida na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em 25/03/2009) apresenta uma revisão bibliográfica sobre as diversas tecnologias de segunda geração e propõe o processo de gaseificação de biomassa excedente como melhor alternativa para o aumento da eficiência energética de uma usina de cana-de-açúcar. Desta forma, a dissertação mencionada difere do presente pedido por não antecipar nem sugerir o uso de correntes e efluentes de processo para otimização da integração energética dos processos de produção de etanol 1G+2G.

O artigo intitulado "Production of bioethanol and other bio- based materiais from sugarcane bagasse: Integration to conventional bioethanol production process " (Dias et ai, Chemical Engineering Research and Design, 2009, 87: 1206-1216) apresenta um estudo de integração térmica na destilaria, através do emprego da técnica de destilação de duplo efeito, acoplado à tecnologia ORGANOSOLV para a hidrólise ácida do bagaço de cana-de-açúcar. Este trabalho difere do presente pedido, e não antecipa e nem sugere a presente invenção, principalmente por se restringir apenas à otimização térmica dentro da destilaria com vistas ao aumento da quantidade de bagaço excedente no processo de primeira geração. Além disso, o referido artigo também não considera o reaproveitamento de efluentes e a integração térmica entre os processos de primeira e segunda geração para a produção de etanol, como reivindicado no presente pedido.

O artigo intitulado "Improving bioethanol production from sugarcane: evaluation of distillation, thermal integration and cogeneration systems " (Dias et ah, Energy, 2011, 36(6): 3691-3703) apresenta um estudo de otimização energética de uma usina de cana-de-açúcar (I ^a geração) através do emprego da integração térmica específica para o processo de destilação, combinado com o emprego da cogeração de energia elétrica através da tecnologia BIGCC, "Biomass Integrated Gasification Combined Cycle ". Este documento não antecipa nem sugere o sistema e o processo para integração energética das tecnologias para produção de etanol de primeira e segunda geração aqui propostos, uma vez que não considera o processo de produção de etanol celulósico como alternativa para o uso da biomassa e não considera soluções para o reaproveitamento de efluentes.

O pedido de patente PI0708266-5 A2 descreve um sistema e um processo para a produção de álcool por destilação com otimização energética utilizando a tecnologia de múltiplo efeito. Neste processo, a alimentação das colunas de destilação é dividida em duas correntes e alimentada em dois conjuntos de colunas, uma de alta pressão e outra de baixa pressão, em conjunto com um refervedor que utiliza a energia térmica do topo de uma coluna para fornecer calor à outra. Este processo demonstra que quando o sistema é adequadamente formatado, é possível recuperar o calor disponível no topo da coluna de retificação B, mas não aponta aplicações externas à destilaria. A presente invenção difere deste pedido por revelar a utilização de correntes disponíveis na destilaria, por exemplo, em uma planta anexa para produção do etanol de segunda geração, aplicando o conceito de integração de processos.

O pedido de patente PI0503931-2 A descreve um arranjo e um processo para a produção de álcool anidro via "Pressure Swing Adsorption" com otimização energética. Neste processo, parte do calor contido no produto final (Álcool Anidro) é recuperada via integração térmica e compressão mecânica do vapor de álcool anidro, evidenciando que quando o processo é formatado de modo bem estruturado, a recuperação do calor disponível em uma corrente com vapores de álcool é factível. O pedido PI0503931-2 A difere da presente invenção por tratar da aplicação da técnica de reaproveitamento de calor de modo específico para a otimização do consumo de vapor na própria tecnologia de desidratação de álcool hidratado, sem, contudo, versar sobre a integração térmica com qualquer outro processo e, principalmente, com a tecnologia de produção do etanol de segunda geração.

O pedido de patente US 20120041186 Al descreve um método e um sistema para a pré-extração de hemicelulose por tratamento por explosão a vapor, de forma contínua. No referido documento, a corrente "flash" gerada no reator de pré-tratamento de explosão tem grande potencial energético para ser utilizada em sistemas de recuperação térmica, embora o referido documento não mencione tais aplicações. A presente invenção difere do documento mencionado por utilizar correntes disponíveis e apropriadas em tecnologias/plantas anexas ou em setores diferentes do mesmo processo, em um conceito de processo integrado.

A publicação internacional WO 2012021950 descreve um processo para obtenção de uma corrente final de hidrolisado com alto teor de açúcar. O sistema reacional de hidrólise atinge a sua maior eficiência quando a temperatura reacional permanece em torno de 50°C. Depreende desta característica do sistema de hidrólise a necessidade de uma fonte de calor para manter o sistema na temperatura especificada. Entretanto, o referido documento não sugere qualquer estratégia, arranjo, sistema e configuração específicos para se obter energia necessária para o aquecimento e manutenção da temperatura ótima no sistema de hidrólise. A presente invenção difere do referido documento por aproveitar as correntes/efluentes geradas no processo convencional de produção de etanol (independentemente da matéria-prima utilizada para tal) para fornecer a energia necessária para o aquecimento dos reatores de hidrólise e/ou demais equipamentos da planta de etanol 2G.

O pedido de patente PI1101295-1, de titularidade do Centro de Tecnologia Canavieira (CTC), descreve a utilização da corrente de vinhaça (bruta, filtrada, concentrada, etc.) e/ou de qualquer resíduo do processo de destilação de vinho fermentado como agente tamponante alternativo no processo de hidrólise enzimática de biomassas lignocelulósicas. O reaproveitamento deste e de outros efluentes disponíveis nas plantas convencionais de etanol 1G em conjunto com a presente invenção potencializa os benefícios do processo integrado descrito neste relatório.

O pedido de patente PI0904538-4, de titularidade do Centro de

Tecnologia Canavieira (CTC), apresenta um processo para otimizar o tratamento da biomassa vegetal para a produção de carboidratos, etanol e produtos afins, adotando-se uma configuração de processo que minimiza a demanda energética total da unidade industrial, quando comparada a técnicas correntemente empregadas e já consagradas. O referido documento apresenta complementaridade com a presente invenção embora não antecipe os objetos que aqui se reivindicam.

Do que se depreende da literatura pesquisada, desconhece-se a existência de documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção

Em um aspecto, a invenção provê um sistema para produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações, compreendendo os seguintes pontos de integração:

i) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI), como fonte de água quente para gerar vapor no vaso (RF);

ii) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I), como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação em (S I) e (S2);

iii) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I), como fonte de água quente para controlar o teor de sólidos na etapa de hidrólise enzimática;

iv) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I), como fonte de água quente para aquecer direta ou indiretamente o(s) reator(es) de hidrólise enzimática (RH);

v) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou Bl),como fonte de água quente para limpeza da biomassa que entra no processo;

vi) Utilização da corrente alcoólica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) na fase vapor, como fonte de aquecimento do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa;

vii) Utilização da corrente de vinhaça (5) como fonte de aquecimento direto ou indireto do(s) reator(es) de hidrólise (RH) da biomassa;

viii) Utilização da corrente de vinhaça (5) como fonte de solução tamponante para o controle do pH da reação de hidrólise enzimática;

ix) Utilização da energia contida na corrente de vapor "flash"

(6) , gerada após o pré-tratamento da biomassa, para gerar vapor no vaso (RF);

x) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente

(7) , para prover energia para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al e da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) ou sua(s) equivalente(s);

xi) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (11), derivada da corrente (7), como fonte de aquecimento direto ou indireto do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa;

xii) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7), como fonte de aquecimento direto, isto é, borbotagem (corrente 8), do fundo das colunas A, Al, B e BI ;

xiii) Utilização do retorno de todo ou parte do condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF;

xiv) Utilização da água tratada, corrente (9), para gerar vapor no vaso RF; e

xv) Utilização do vapor gerado no vaso (RF), corrente (10), para prover energia para o pré-aquecimento da(s) corrente(s) de alimentação do reator (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

e combinações dos mesmos.

Em uma forma de realização, o sistema compreende ainda os elementos:

i) pelo menos um meio para conectar a saída do vaso (TF) à entrada do vaso de vapor (RF);

ii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ao vaso de vapor (RF);

iii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) aos sistemas de separação e recuperação em (Sl) e (S2);

iv) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) aos reatores de hidrólise (RH) e/ou ao sistema de limpeza da biomassa (TL);

v) pelo menos um meio para aproveitar água tratada disponível na planta para gerar vapor no vaso (RF);

vi) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) à(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al e à(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ou sua(s) equivalente(s);

vii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) de hidrólise;

ix) pelo menos um meio para retornar o condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

x) pelo menos um meio para empregar a corrente alcoólica (4) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) na fase vapor como fonte de calor para aquecimento do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa, e combinações dos mesmos.

Em uma forma de realização, os ditos meios são trocadores de calor tipo casco e tubo e/ou placas, e o dito sistema utiliza instrumentação e controle no vaso RF, que ainda podem ser controladores de pressão, de nível, de vazão e de temperatura.

Em um outro aspecto, a invenção provê um processo para produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações, compreendendo as etapas de:

i) Pré-tratar a biomassa;

ii) Hidrolisar enzimaticamente a biomassa pré-tratada;

iii) Separar a solução contendo os açúcares fermentescíveis da fibra residual rica em lignina (celulignina);

iv) Fermentar a solução obtida na etapa iii) juntamente com os açúcares do caldo e/ou melaço de cana-de-açúcar; v) Separar o vinho fermentado; e

vi) Destilar/desidratar o etanol produzido na etapa v).

Em uma forma de realização, no referido processo:

i) o pré-tratamento da biomassa é feito através de uso de vapor, onde parte da energia empregada nesta operação é reaproveitada através do recuperação de calor;

ii) a separação dos açúcares gerados no pré-tratamento é feita através da utilização de parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retifícação (B e/ou BI) e/ou da limpeza dos fermentadores;

iii) a hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada é feita utilizando como fonte de aquecimento a corrente de flegmaça (3); corrente de vapor de álcool hidratado (4) proveniente da coluna retifícação do álcool, e/ou corrente de da corrente de vinhaça (5);

iv) a separação da solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em lignina (celulignina) é feita usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retifícação (B e/ou B I), e/ou da limpeza dos fermentadores;

v) a fermentação é feita utilizando parte das correntes armazenadas no sistema de recuperação de calor (corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7), e/ou a corrente de flegmaça (3)) para limpeza, esterilização, resfriamento ou uma combinação destas operações;

vi) a separação do vinho fermentado é feita utilizando parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor, corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7), e/ou a corrente de flegmaça (3). para limpeza, esterilização, resfriamento ou uma combinação destas operações;

vii) a destilação/desidratação do etanol é feita utilizando parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor, preferencialmente a corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7).

Em uma outra forma de realização, o processo opcionalmente compreende uma etapa de limpeza da biomassa antes da etapa de pré- tratamento i), que pode ser feita com o uso de parte da corrente de flegmaça (3) oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) e/ou da limpeza dos fermentadores.

Em outra forma de realização, na etapa v), o melaço é diluído com o caldo hidrolisado até que uma concentração entre 10°Brix e 50°Brix seja atingida.

Em uma forma de realização, o referido sistema para recuperação de calor é composto por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para seu funcionamento contínuo e estável.

Em ainda outra forma de realização, o processo, na referida etapa i) poder ocorrer adicionalmente com o uso de catalisadores químicos ou biológicos.

Em um outro aspecto, a invenção se refere ao uso dos pontos de integração como definidos acima para produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 apresenta um esquema do processo para aproveitamento de biomassas lignocelulósicas e sua conversão em açúcares fermentescíveis, onde as principais etapas são limpeza (2.1), pré-tratamento (2.2), hidrólise enzimática (2.3) e separação sólido-líquido (2.4) para geração de uma solução de açúcares fermentescíveis (2.5). Também mostra entradas e saídas como biomassa (2), impurezas (5.3), catalisadores químicos/biológicos (2.6), vapor (4.2), açúcares (majoritariamente) de cinco carbonos (C5), agente tamponante (2.7), enzimas (2.8) e celulignina (5.2).

A Figura 2 apresenta um esquema do processo convencional de produção de etanol (1G) sendo alimentado com açúcares fermentescíveis (C6) produzidos na etapa de hidrólise enzimática (processo 2G), seguido pelas etapas posteriores de fermentação (1.1), separação do vinho fermentado (1.2), destilação/desidratação do vinho fermentado (1.3), etanol produzido (1.4), reciclo de células (1.5), concentração do caldo hidrolisado (1.6), melaço (16°-30°Brix) (1.7) e vinhaça (4.4).

A Figura 3 apresenta um esquema do processo integrado para produção de etanol de primeira (1G) e segunda (2G) gerações, compreendendo o reaproveitamento de correntes e efluentes gerados para suprimento da demanda energética do processo global, indicando as etapas do processo integrado como limpeza (2.1), pré-tratamento (2.2), hidrólise enzimática (2.3), separação sólido-líquido (2.4), fermentação (1.1), separação do vinho fermentado (1.2), destilação/desidratação do vinho fermentado (1.3), além de seus derivados como solução de açúcares fermentescíveis (2.5) e etanol (1.4). Também mostra entradas e saídas como biomassa (2), impurezas (5.3), catalisadores químicos/biológicos (2.6), vapor (4.2), açúcares majoritariamente de cinco carbonos (C5), agente tamponante (2.7), enzimas (2.8), celulignina (5.2), condensado (4.3), flegmaça (3), vinhaça (4.4), reciclo de células (1.5), concentração do caldo hidrolisado (1.6), melaço (16 ^o - 30°Brix) (1.7) e vapor alcoólico (4.5).

A Figura 4 ilustra o processo de destilação de álcool hidratado, sem considerar o reaproveitamento de energia e efluentes, evidenciando as correntes e os equipamentos essenciais desde a alimentação do vinho até a obtenção do produto final (álcool hidratado). Além disso, também são mostrados o sistema de esgotamento (A), epuração de vinho (Al), concentração de álcool de segunda (D), retificação de álcool (B e BI), trocadores de calor (E, El, E2, R e RI), corrente de flegmaça (3), vinho (4.1), vapor (4.2), condensado (4.3), vinhaça (4.4), álcool de segunda (4.5) e álcool hidratado carburante (AEHC).

A Figura 5 apresenta um fluxograma simplificado do processo para produção de etanol de segunda geração (2G), sem considerar o reaproveitamento de energia e efluentes. O fluxograma mostra as correntes e os equipamentos essenciais desde a alimentação da biomassa até a obtenção da solução de açúcares fermentescíveis (majoritariamente glicose), além do sistema de separação dos açúcares (SI e S2), água tratada (1), biomassa (2), vapor de baixa pressão (5.1), vapor "flash" (6), correntes C5 e C6, celulignina (5.2), condensado (4.3) e impurezas (5.3).

A Figura 6 apresenta o sistema para a produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações do presente pedido, compreendendo o reaproveitamento de energia e efluentes de acordo com a presente invenção. A Figura mostra as correntes e os equipamentos essenciais, preferenciais e opcionais, evidenciando os pontos de integração para reaproveitamento de energia e efluentes entre as plantas de produção de etanol de segunda geração e a planta de produção de álcool hidratado.

Descrição Detalhada da Invenção

Todos os termos técnicos usados neste pedido têm o mesmo significado comumente entendido por um técnico na arte à qual a presente invenção pertence. Apesar de métodos e materiais similares ou equivalentes aos aqui descritos possam ser utilizados na realização ou no teste da presente invenção, os métodos e materiais adequados são descritos abaixo. Assim, a nomenclatura aqui citada pode mudar em diferentes unidades, indústrias ou países, mas o conceito técnico e a abrangência da presente invenção permanecerão válidos. Além disto, os materiais, métodos e exemplos aqui apresentados são de natureza ilustrativa e nao limitantes da presente invenção.

A combinação dos processos de primeira e segunda gerações para produção de etanol, por exemplo, a partir de cana-de-açúcar, permite obter uma maior quantidade final deste biocombustível, sem aumentar o volume de matéria-prima cultivada nem aumentar a área plantada. A presente invenção fornece uma forma para reaproveitar os efluentes e integrar energeticamente as tecnologias de primeira (1G) e segunda (2G) gerações para produção de etanol, biocombustíveis em geral e/ou químicos diversos (solventes, ácidos, polímeros, dentre outros), a partir de biomassas lignocelulósicas, em especial bagaço e palha de cana-de-açúcar, mas não limitado a elas.

Para fins deste pedido, pontos de integração dizem respeito aos pontos onde os processos 1G e 2G podem ser interligados, mediante o aproveitamento e utilização de correntes de energia e/ou efluentes entre as plantas de produção de etanol 1G e 2G.

As plantas de produção de etanol de primeira e segunda gerações

A planta de etanol de segunda geração (2G) a ser integrada à de primeira geração (1G) é constituída, basicamente, pelas etapas ilustradas na Figura 1.

Para fins do presente pedido, "biomassa" pode incluir qualquer material orgânico não-fossilizado, ou seja, que seja derivado de organismos biológicos, tanto vivos quanto mortos. Como usado aqui, "biomassa" refere- se particularmente à biomassa celulósica ou lignocelulósica derivada de plantas, e inclui material compreendendo celulose e opcionalmente ainda compreendendo hemicelulose, lignina, amido, oligossacarídeos e/ou monossacarídeos. A biomassa pode ser derivada de uma única fonte ou pode compreender uma mistura derivada de mais de uma fonte. Por exemplo, biomassa pode compreender uma mistura de material de diferentes espécies vegetais e/ou de diferentes partes de plantas. Biomassa inclui, mas não está limitada a culturas de bioenergia, resíduos agrícolas e florestais. Exemplos de biomassa incluem, mas não estão limitadas a, material vegetal derivado de uma planta selecionada a partir do grupo consistindo de cana-de-açúcar, milho, soja, sorgo, painço, centeio, trigo, triticale, aveia, cevada, arroz, alfafa, capim-elefante, Miscanthus, algodão, sisal, cânhamo, juta, eucalipto, pinheiro, salgueiro, tabaco, trevo, bambu, linho, batata-doce, batata, mandioca, inhame, beterraba e canola. Em uma forma preferencial, a biomassa é composta por bagaço e/ou palha de cana-de-açúcar.

Inicialmente, a biomassa que chega ao processo pode ser submetida a uma etapa de limpeza ou condicionamento para remoção de impurezas minerais e vegetais presentes no material. Esta operação, apesar de opcional, é de grande relevância visto que impacta diretamente na qualidade final da matéria-prima que será efetivamente processada, mas, principalmente, por prolongar a vida útil dos equipamentos instalados, uma vez que minimiza de forma significativa os efeitos danosos relativos à abrasão devido à presença, por exemplo, de areia e pedras, sobretudo após colheita mecanizada. Assim, a limpeza da biomassa se constitui na primeira etapa do processo de produção de etanol 2G e pode ser realizada mediante diferentes técnicas (operações unitárias), a saber: filtração, decantação, flotação, sedimentação, moagem, lavagem seguida de filtração, peneiramento e limpeza à seco, dentre outras, mas não limitada a elas.

Na segunda etapa do processo, a biomassa (limpa ou condicionada, ou não) é submetida a um pré-tratamento que visa separar as três principais (macro) fiações da biomassa e solubilizar componentes não- celulósicos, predominantemente hemiceluloses, de modo a favorecer a acessibilidade das enzimas celulolíticas responsáveis pela quebra da molécula de celulose em glicose (monomérica) na etapa subsequente de hidrólise. Este processo de separação/solubilização se dá em decorrência da ação de agentes químicos (e.g. ácidos e álcalis) e/ou biológicos (e.g. enzimas, microrganismos) e, em geral, em condições operacionais de temperatura e pressão que vão de 150°C a 225°C e de 12bar a 25bar, respectivamente.

Dentre as muitas formas de se realizar um pré-tratamento eficiente, steam explosion (explosão com vapor), hot water (hidrotermólise), wet alcaline oxidation, wet alcaline perixode oxidation, ammonia fiber oxidation (AFEX), sodium hydroxide fiber oxidation (SHFEX), C(¾ explosion e C0 ₂ supercrítico têm emergido como as opções mais promissoras. Em geral, esses métodos fazem uso de vapor d' água, ácido sulfúrico diluído, ácido fosfórico diluído, amónia, hidróxido de cálcio ("Hme") e dióxido de enxofre (S0 ₂ ).

Concluída a etapa de pré-tratamento (independentemente da técnica escolhida para tal), o material pré-tratado pode avançar no processo por, basicamente, duas vias: 1) ser diretamente enviado para a etapa de hidrólise ou 2) ser submetido a uma operação de separação sólido-líquido onde o licor de pentoses gerado em decorrência da solubilização das hemiceluloses é separado (mediante, por exemplo, prensagem, centrifugação, lavagem seguida de filtração, lavagem seguida de centrifugação, lavagem seguida de decantação, lavagem seguida de evaporação, dentre outras, mas não limitado a elas) e as fibras remanescentes (celulose + lignina) enviadas à etapa subsequente de hidrólise. Esta é uma das etapas operacionais mais relevantes em termos de custo direto, além de influenciar consideravelmente os custos das etapas anteriores e subsequentes do processo.

Na etapa de hidrólise enzimática, ocorre a conversão da celulose remanescente na fibra pós pré-tratamento, independentemente do método utilizado para tal, em glicose, por ação de um "poo/" de enzimas denominado celulases. Este processo hidrolítico ocorre, geralmente, em meio tamponado.

O processo de hidrólise enzimática pode ocorrer sob qualquer configuração selecionada do grupo que compreende SHF (Hidrólise Enzimática e Fermentação Separadas), SSF (Hidrólise Enzimática e Fermentação Simultâneas), SSCF (Hidrólise Enzimática, Fermentação e Co- Fermentação Simultâneas), CBP (Produção de Enzimas, Hidrólise Enzimática e Fermentação Simultâneas), SEPHY (Produção de Enzimas e Hidrólise Enzimática separadas da Fermentação) e combinações das mesmas. Concluída a etapa de hidrólise, o caldo hidrolisado contendo os açúcares fermentescíveis (C6) é separado da fração sólida residual. Esta fração é aqui chamada de celulignina e é composta basicamente por lignina concentrada e celulose não convertida no processo hidrolítico. Em geral, nesta etapa do processo podem ser utilizadas técnicas de separação sólido-líquido como filtração (com ou sem vácuo), centrifugação, evaporação, decantação, dentre outras. Após a separação, o caldo hidrolisado pode seguir para a fermentação ou ser utilizado como matéria-prima para a produção de uma gama diversa de produtos, como combustíveis, ácidos orgânicos, solventes e/ou HMF (5-hidroximetil-furfural), composto geralmente utilizado na fabricação de amaciantes, lubrificantes, produtos químicos e polímeros, dentre outros. Neste processo, é possível operar com ou sem reciclo de células e em modo contínuo, semi-contínuo (batelada alimentada) ou descontínuo (batelada).

O parque industrial hoje instalado nas usinas brasileiras utiliza a cana-de-açúcar para a produção de açúcar e etanol, mediante processos que já compartilham algumas operações como, por exemplo, a lavagem da cana (com água ou à seco), o preparo da cana para a moagem ou difusão, a extração do caldo (que pode ocorrer mediante moagem ou difusão) e a purificação/tratamento do caldo obtido. De forma similar, seria possível também aproveitar resíduos lignocelulósicos, mas, principalmente, bagaço e palha de cana, para aumentar a produção de etanol, biocombustíveis em geral e/ou químicos, mediante o processamento dessas biomassas de modo completamente integrado às instalações existentes, sobretudo no tocante à questão energética. A Figura 3 apresenta um esquema do processo para a produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações, que visa perfeita integração entre as diversas operações de ambos os processos, recuperação de energia e reaproveitamento de efluentes.

Neste âmbito, a presente invenção se refere a um sistema e a um processo para produção integrada de etanol (1G+2G) e produtos afins, compreendendo a integração energética e de efluentes entre os dois processos e proporcionando aumento de eficiência no uso da matéria-prima, vapor, energia elétrica e água tratada.

Processo integrado para produção de etanol de primeira e segunda gerações

A presente invenção provê um processo para a produção integrada de etanol de primeira e segunda gerações, que compreende, de forma ampla, as seguintes etapas:

i) Pré-tratar a biomassa;

ii) Hidrolisar enzimaticamente a biomassa pré-tratada;

iii) Separar a solução contendo os açúcares fermentescíveis da fibra residual rica em lignina (celulignina);

iv) Fermentar a solução obtida na etapa iii) juntamente com os açúcares do caldo e/ou melaço de cana-de-açúcar;

v) Separar o vinho fermentado;

vi) Destilar/desidratar o etanol produzido na etapa v).

Opcionalmente, antes da etapa i) acima descrita, a biomassa pode ser limpa. Em uma forma de concretização, a primeira etapa do processo da presente invenção consiste na limpeza da matéria-prima através do sistema de limpeza "TL", que visa remover impurezas e homogeneizar a biomassa, a fim de torná-la mais acessível aos tratamentos químicos e/ou biológicos posteriores, bem como proteger os equipamentos de possíveis desgastes mecânicos causados pela presença de impurezas minerais. Este sistema pode apresentar diferentes configurações, ser composto por diferentes equipamentos e utilizar diferentes conceitos para separar as impurezas e adequar a matéria-prima às condições dos processos subsequentes, conforme é. de conhecimento de um técnico no assunto. Dentro do universo de possibilidades de sistemas de limpeza, encontram-se as soluções tecnológicas que empregam um tanque ou equivalente com água limpa e agitação para remover as impurezas e homogeneizar a biomassa, como representado na Figura 6. Em uma forma de realização da presente invenção, a limpeza é feita com uso de água, como por exemplo, da corrente de flegmaça (3) (vide Figura 6).

A etapa seguinte consiste na alteração química e física da biomassa, também chamada de pré-tratamento, com solubilização da fração hemicelulósica. Nesta etapa, vapor de alta ou baixa pressão é alimentado ao reator de pré-tratamento (procedimento comumente chamado de explosão a vapor), contendo biomassa impregnada ou não com catalisadores. Opcionalmente, podem-se utilizar catalisadores químicos (e.g. ácidos e álcalis) e/ou biológicos (e.g. enzimas, microrganismos).

No escopo da presente invenção, correntes e/ou efluentes típicos da destilaria podem ser utilizados nesta etapa do processo, contribuindo para a otimização energética do processo integrado 1G/2G, com benefícios ambientais evidentes. Por exemplo, a biomassa pode ser tratada com vapor oriundo de vapor armazenado em um sistema de recuperação de calor "RF". Após o tempo de residência desejado, a biomassa tratada é enviada para um tanque de "flash" "TF". O vapor gerado nesta etapa, livre das partículas de biomassa, é utilizado total ou parcialmente como fonte de calor para o aquecimento de correntes internas do processo de produção de etanol de segunda geração, conforme revelado no presente pedido. Na sequência, a biomassa pré-tratada é enviada para um sistema "S I" de separação (por filtração, centrifugação, extração por difusão, etc.) para recuperação dos açúcares C5, provenientes da hemicelulose, solubilizados durante o pré-tratamento. Em uma forma de realização, a separação pode ocorrer com uso de parte da corrente de flegmaça (3), como fonte de água quente (vide Figura 6).

Na sequência do processo, a biomassa pré-tratada é enviada para o sistema de hidrólise enzimática "RH", onde a celulose é maioritariamente convertida em glicose mediante diferentes abordagens que podem incluir tecnologias complexas e/ou multifásicas. O processo hidrolítico ocorre, geralmente, em meio tamponado e em temperaturas controladas.

No âmbito da presente invenção, uma forma de concretização alternativa, no que se refere ao tamponamento do meio, é o uso de vinhaça ou de qualquer outro resíduo da destilação de vinho fermentado (independentemente de sua procedência ou forma de apresentação - bruta, filtrada, concentrada, etc.) no processo de sacarificação de biomassas lignocelulósicas, o que apresenta diversas vantagens quando comparado aos processos convencionais. Tal reaproveitamento representa um ponto de integração possível entre os processos 1G e 2G. Algumas vantagens competitivas relativas ao uso da vinhaça no processo aqui proposto são: 1) significativa economia no consumo de água na etapa de hidrólise enzimática de biomassas (pré-tratadas ou não), uma vez que a vinhaça pode inclusive substituir toda a água necessária nesta etapa específica; 2) redução significativa nos custos (custo mais acessível) relativos à aquisição de insumos químicos para tamponamento do meio (controle de pH); 3) ser altamente eficiente no tamponamento do meio reacional onde ocorre a sacarificação de biomassas lignocelulósicas; 4) estar disponível no próprio ambiente industrial e em grande quantidade, uma vez que para litro de etanol produzido geram-se em torno de 10 a 12 litros de vinhaça; 5) ser rica em nitrogénio (até lg/L de nitrogénio total em sua composição), que é um macronutriente de extrema relevância no processo de fermentação; e 6) atender a requisitos ambientais, já que permite que um "resíduo" com elevada demanda bioquímica de oxigénio (DBO) seja reaproveitado no processo, evitando a poluição de solos e águas subterrâneas. A utilização de vinhaça como agente tamponante no processo de hidrólise enzimática de biomassas lignocelulósicas compreende um pedido de patente de titularidade do Centro de Tecnologia Canavieira - CTC, devidamente depositado no INPI sob o número PI 1101295-1.

Com relação à temperatura, uma forma de realização da presente invenção é a utilização, como fontes de calor, da corrente de flegmaça (3), da corrente de vapor de álcool hidratado (4) proveniente da coluna de retificação do álcool e/ou da corrente de vinhaça (5) (vide Figura 6)·

A separação dos açúcares (solução de C6) gerados na hidrólise ocorre no sistema "S2", onde diversas tecnologias podem ser aplicadas, conforme é do conhecimento de um técnico no assunto (filtração, centrifugação, prensagem e etc). Em uma forma de realização, a separação pode ocorrer com uso de parte da corrente de flegmaça (3), como fonte de água quente (Figura 6). A fase sólida resultante desta etapa pode ser enviada para caldeira ou destinada para outros propósitos comerciais, enquanto que o caldo hidrolisado é, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção, diretamente enviado ao setor de fermentação da planta 1G (na forma diluída ou concentrada), conforme ilustrado na Figura 2.

No âmbito do processo objeto da presente invenção, a alimentação da fermentação convencional com o caldo hidrolisado representa mais um ponto de integração entre os processos 1G e 2G. No caso específico das usinas de açúcar e álcool brasileiras, o caldo hidrolisado pode ser utilizado para diluir o melaço, substituindo parcial ou totalmente a água utilizada nesta operação, até que uma concentração entre 10°Brix e 50°Brix, mais preferencialmente, entre 16°Brix e 30°Brix seja atingida. Nas destilarias autónomas, o caldo hidrolisado supracitado deve ser evaporado antes de ser enviado à etapa de fermentação.

Assim, os açúcares fermentescíveis, tanto provenientes da hidrólise de biomassa quanto os provenientes do caldo/melaço de cana-de- açúcar, são fermentados utilizando-se a infraestrutura instalada nas unidades industriais e o mesmo micro-organismo (Figura 2). Neste processo de fermentação, é possível operar com ou sem reciclo de células e em modo contínuo, semi-contínuo (batelada alimentada) ou descontínuo (batelada). Em uma forma de realização, a temperatura do processo pode ser mantida dentro da faixa ótima utilizando parte das correntes armazenadas no sistema de recuperação de calor (corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7), e/ou a corrente de flegmaça (3)) ilustradas na Figura 6.

Após a fermentação, o mosto é submetido a um processo de separação sólido-líquido, onde ocorre a separação do vinho fermentado da biomassa (levedura) utilizado no processo. Tipicamente, este processo de separação é o através de centrifugação, embora outros métodos também possam ser utilizados para este fim, podendo haver ou não reciclo de células. Em seguida, o vinho é enviado ao sistema de destilação para obtenção do produto final, gerando vinhaça como "sub-produto".

Esta etapa é representada na Figura 3, onde ocorre a concentração do álcool contido no vinho até os pontos próximos do azeotropo, uma vez que a solução etanol-água é uma mistura não ideal.

O processo convencional mais frequentemente encontrado nas unidades produtoras de etanol hidratado é a utilização de 5 colunas: A, Al, D, B e BI, conforme esquematizado na Figura 4. Dessas, o conjunto composto pelas colunas A, Al e D é conhecido como sistema de esgotamento (A), epuração de vinho (Al) e concentração de álcool de segunda (D). Já as colunas B e B 1 são mais conhecidas como colunas de retificação de álcool.

A coluna (A) tem a função de retirar do vinho as substâncias de maior volatilidade e os gases nele dissolvidos, além de completar o aquecimento da corrente de alimentação. O vinho é alimentado no topo da coluna Al e a flegma, com concentração mássica de etanol aproximadamente de 40%, é retirada no topo da coluna A. A corrente de topo da coluna Al é enviada para a coluna D, onde ocorre a concentração das substâncias mais voláteis presentes no vinho. O vapor proveniente do topo da coluna D é condensado nos trocadores R e RI e uma parte retorna como refluxo, alimentada no topo da coluna D, e outra parte é retirada como álcool de segunda. No fundo da coluna A é retirada uma corrente denominada vinhaça, que embora atualmente seja apenas utilizada como fertilizante, apresenta aplicação mais nobre no âmbito do presente pedido. O flegma, oriundo da coluna A, é alimentado na coluna B, na fase vapor, onde algumas impurezas, como óleo nisel, são removidas. Nesta coluna, o flegma é concentrado até concentração mínima de 92,3% em massa de etanol. O vapor obtido no topo da coluna B é parcialmente condensado no trocador E, onde ocorre recuperação parcial de calor para o aquecimento do vinho, e, posteriormente, o restante do vapor é condensado nos trocadores El e E2. O produto de fundo da coluna BI é denominado flegmaça e deve conter no máximo 0,02% em massa de etanol. O vapor necessário para destilar o vinho e retificar o álcool é fornecido no fundo das colunas A e B I . O vapor pode ser injetado diretamente na base da coluna por borbotagem, que é o esquema típico quando se utiliza vapor vegetal (0,8 barg) ou por troca indireta, com a aplicação de trocadores de calor, para vapor de escape (1,5 barg).

Na presente invenção, propõe-se o emprego de um sistema para recuperar a energia disponível na corrente de vapor "flash" (6), conforme representado na Figura 6, para fornecer parte ou a totalidade da energia necessária na produção do etanol de primeira geração (1G). O sistema de recuperação de calor RF é composto basicamente por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para o funcionamento contínuo e estável do referido sistema. As correntes 7 e 10 da Figura 6, geradas no referido sistema RF, podem ser empregadas como complemento na rede de vapor já existente na indústria ou utilizadas de forma independente nos equipamentos existentes, através de trocadores de calor ou por injeção direta. O sistema RF, de acordo com a presente invenção, pode operar em uma ampla faixa de pressão, entre 0,5 e 5 barg, mais preferivelmente, na faixa de 0,8-1,5 barg.

A energia fornecida na base das colunas de destilação A e BI é parcialmente reaproveitada através do pré-aquecimento do vinho oriundo da fermentação. Esta integração térmica, em média, reaproveita 40% da energia disponível na corrente de topo da coluna de retificação B. Assim, cerca de 60% da energia é transferida para a água de resfriamento e posteriormente para o ambiente, através do sistema de resfriamento (vide Figura 4).

Conforme revelado no presente pedido, parte da corrente proveniente do topo da coluna de retificação B será enviada para o sistema de hidrólise (RH), como fonte de calor para o aquecimento de correntes internas e manutenção da temperatura ótima de reação de hidrólise (vide Figura 6).

Conforme ilustrado na Figura 4, as correntes de vinhaça (4.4) e flegmaça (3) não eram reutilizadas nos processos convencionais, e sim enviadas à lavoura de cana-de-açúcar para a fertirrigação, no caso do Brasil, ou evaporadas, no caso de países com restrição ao emprego da vinhaça como fertilizante. Na presente invenção, a corrente de flegmaça (3), também ilustrada na Figura 6, pode ser utilizada como fonte de água quente e limpa para as etapas de limpeza da biomassa (TL), extração da hemicelulose da biomassa pré-tratada (SI), extração da glicose da torta de celulignina (S2), para corrigir o teor de sólidos no sistema de hidrólise (RH) e/ou como água de reposição para o sistema RF.

Adicionalmente, a presente invenção pode ser complementada pelo documento PI 1101295-1, onde a corrente de vinhaça é utilizada como agente tamponante na reação de hidrólise enzimática da biomassa.

Assim, a presente invenção proporciona redução no custo operacional do processo integrado 1G/2G e uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis. Sua aplicação se dá de forma imediata e irrestrita a processos de produção de etanol 1G/2G que possuem as etapas abaixo mencionadas, embora não se limite a elas: i) Pré-tratamento da biomassa (limpa ou não) através de uso de vapor, opcionalmente com uso de enzimas e/ou químicos, onde parte do referido vapor é armazenado em um sistema de recuperação de calor;

ii) Separação dos açúcares (majoritariamente açúcares de cinco carbonos - C5) gerados no pré-tratamento por métodos conhecidos na técnica, como prensagem, centrifugação, lavagem seguida de filtração, lavagem seguida de centrifugação, lavagem seguida de decantação, lavagem seguida de evaporação, dentre outros, usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) e/ou da limpeza dos fermentadores, ilustrados na Figura 6;

iii) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando como fonte de aquecimento a corrente de flegmaça (3); corrente de vapor de álcool hidratado (4) proveniente da coluna retificação do álcool e/ou corrente de vinhaça (5) (vide Figura 6);

iv) Separação da solução contendo os açúcares desejados da fibra residual rica em lignina (celulignina) por métodos conhecidos na técnica, como prensagem, centrifugação, lavagem seguida de filtração, lavagem seguida de centrifugação, lavagem seguida de decantação, lavagem seguida de evaporação, dentre outros, usando parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) e/ou da limpeza dos fermentadores, conforme Figura 6;

v) Fermentação da solução açucarada obtida na etapa "iv" juntamente com o caldo e/ou melaço, utilizando parte das correntes armazenadas no sistema de recuperação de calor (corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7), e/ou a corrente de flegmaça (3)), ilustradas na Figura 6;

vi) Separação do vinho fermentado por centrifugação e/ou outros métodos de separação sólido-líquido utilizando parte das correntes armazenadas no sistema de recuperação de calor (corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7), e/ou a corrente de flegmaça (3)), ilustradas na Figura 6;

vii) Destilação/Desidratação do etanol produzido na fermentação utilizando parte da corrente armazenada no sistema de recuperação de calor, preferencialmente a corrente de vapor gerada no vaso (RF), corrente (7) (vide Figura 6).

Opcionalmente, antes da etapa i) acima descrita, pode-se realizar a limpeza da biomassa mediante uso de parte da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) e/ou da limpeza dos fermentadores.

O sistema para reaproveitamento de calor supramencionado pode receber, armazenar e fornecer parte ou a totalidade da energia necessária na produção do etanol de primeira geração (1G). O sistema de reaproveitamento de calor (RF) da Figura 6 pode ser composto por trocadores de calor, vasos de separação, sistemas de controle e demais acessórios necessários para seu funcionamento contínuo e estável. Pode ser operado em uma ampla faixa de pressão, entre 0,5 a 5 barg, mais preferivelmente, na faixa de 0,8 a 1,5 barg.

Em uma forma de realização, a destilação é o processo de separação comumente utilizado nas plantas produtoras de etanol para destilação do vinho delevedurado para a produção de álcool (hidratado e anidro) e a configuração mais frequente desse processo nas unidades produtoras de etanol hidratado e/ou anidro está ilustrada na Figura 4, por A, Al, D, B e B I .

Sistema para produção integrada de álcool de primeira e segunda gerações

A integração entre os processos 1G e 2G da presente invenção ocorre mediante o aproveitamento de correntes e/ou efluentes produzidos no processo de produção de etanol 1G para o suprimento de parte ou todo da demanda energética e de efluentes da planta de produção de etanol 2G, e vice- versa, objetivando a maximização da produção de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa que chega à indústria.

Desta forma, um outro objeto da presente invenção é prover um sistema para a produção integrada de etanol 1G e 2G que permite o aproveitamento de correntes e/ou efluentes presentes no processo de produção de etanol 1G para suprimento de parte da demanda energética da planta de produção de etanol 2G e vice-versa, de modo a proporcionar um uso racional e eficiente dos recursos naturais disponíveis, com vistas à maximização da produção global de biocombustível a partir da mesma quantidade de biomassa que chega à indústria. Tal sistema compreende os seguintes pontos de integração, conforme representado na Figura 6:

i) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI), como fonte de água quente para gerar vapor no vaso (RF);

ii) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI), como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação em (S 1) e (S2);

iii) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I), como fonte de água quente para controlar o teor de sólidos na etapa de hidrólise enzimática;

iv) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI), como fonte de água quente para aquecer direta ou indiretamente o(s) reator(es) de hidrólise enzimática (RH);

v) Utilização da corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou Bl),como fonte de água quente para limpeza da biomassa que entra no processo;

vi) Utilização da corrente alcoólica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) na fase vapor, como fonte de aquecimento do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa;

vii) Utilização da corrente de vinhaça (5) como fonte de aquecimento direto ou indireto do(s) reàtor(es) de hidrólise (RH) da biomassa;

viii) Utilização da corrente de vinhaça (5) como fonte de solução tamponante para o controle do pH da reação de hidrólise enzimática;

ix) Utilização da energia contida na corrente de vapor "flash"

(6) , gerada após o pré-tratamento da biomassa, para gerar vapor no vaso (RF);

x) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente

(7) , para prover energia para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al e da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou B I) ou sua(s) equivalente(s);

xi) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7), como fonte de aquecimento direto ou indireto do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa;

xii) Utilização do vapor gerado no vaso de vapor (RF), corrente (7) como fonte de aquecimento direto, isto é, borbotagem (corrente 8), do fundo das colunas A, Al, B e BI;

xiii) Utilização do retorno de todo ou parte do condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF;

xiv) Utilização da água tratada, corrente (9), para gerar vapor no vaso RF; e ,

xv) Utilização do vapor gerado no vaso (RF), corrente (10), para prover energia para o pré-aquecimento da(s) corrente(s) de alimentação do reator (RPT) ou seu(s) equivalente(s).

Os pontos de interligação acima descritos podem ser todos utilizados para realizar o processo de produção integrada de etanol 1G e 2G, assim como também é possível, conforme um técnico no assunto pode facilmente verificar e dependendo da configuração da planta de própria planta de produção de etanol, utilizar uma combinação dos pontos de integração acima listados.

O sistema da presente invenção, desta forma, adicionalmente compreende (vide Figura 6):

i) pelo menos um meio para conectar a saída do vaso (TF) à entrada do vaso de vapor (RF);

ii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ao vaso de vapor (RF);

iii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) aos sistemas de separação e recuperação em (S l) e (S2);

iv) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) aos reatores de hidrólise (RH) e/ou ao sistema de limpeza da biomassa (TL);

v) pelo menos um meio para aproveitar água tratada disponível na planta para gerar vapor no vaso (RF);

vi) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) à(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al e à(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ou sua(s) equivalente(s);

vii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) (RPT) ou seu(s) equivalente(s);

viii) pelo menos um meio para conectar a(s) saída(s) do vaso de vapor (RF) ao(s) reator(es) de hidrólise;

ix) pelo menos um meio para retornar o condensado do vapor da corrente (7), quando a energia for recuperada por troca indireta, para o vaso de vapor RF; e

x) pelo menos um meio para empregar a corrente alcoólica (4) da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) na fase vapor como fonte de calor para aquecimento do(s) reator(es) de hidrólise da biomassa; e combinações de parte dos elementos acima descritos.

Os ditos "meios" abrangem, mas não se limitam a, equipamentos como trocadores de calor tipo casco e tubo e/ou placas, nas suas diversas configurações como, por exemplo, termossifao, "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa e na corrente alcoólica (4) do topo da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) na fase de vapor.. Além disso, utiliza-se instrumentação e controle no vaso (RF) para gerar vapor, sendo, tais instrumentos, preferencialmente representados por controladores de pressão, nível, vazão e/ou temperatura.

Os elementos acima descritos podem ser combinados no todo ou em parte, conforme um técnico no assunto pode facilmente verificar, dependendo ao que mais se adequar à própria estrutura da planta de produção de etanol.

Na Figura 6, encontra-se ilustrado o sistema proposto no presente pedido, representando as correntes e pontos de integração do processo integrado 1G/2G acima descritos.

A presente invenção é ainda descrita pelos exemplos meramente ilustrativos e não limitantes a seguir.

EXEMPLO 1

A energia contida na corrente de vapor "flash" (6) foi reaproveitada para gerar vapor no vaso (RF), através do emprego de um ou múltiplos trocadores para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6), gerada após o pré-tratamento da biomassa por explosão a vapor ou outras técnicas. Os trocadores utilizados foram do tipo casco e tubo e/ou placas, nas suas diversas configurações como termossifao, "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (6). Em configurações equivalentes, podem ser utilizados um ou mais vasos de vapor (RF) para gerar vapor a partir da energia recuperada da corrente de vapor "flash" (6).

De acordo com o conceito de reaproveitamento de efluentes, a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B I ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, pode ser empregada como fonte de água para gerar vapor no vaso de vapor (RF).

Adicionalmente, pode-se utilizar água tratada para a caldeira ou qualquer tipo de condensado de vapor de aquecimento, denominada corrente 9 no fluxograma, como fonte de água para gerar vapor no vaso de vapor (RF).

No esquema aqui descrito, empregou-se um sistema de instrumentação e controle para as variáveis de processo do vaso de vapor (RF), tais como: pressão, nível, vazão e temperatura.

A(s) corrente(s) gerada(s) no vaso (RF) provê(em) em parte ou em sua totalidade a energia requerida nas diferentes etapas do presente arranjo e são aqui denominadas correntes como, por exemplo, a corrente (7), para prover energia para a unidade de produção de etanol de primeira geração ou a denominada corrente (10), empregada no aquecimento das correntes do sistema de pré-tratamento (RPT), ilustrado na Figura 6.

No exemplo específico, a corrente (7) é empregada como fonte de calor, parcial ou total, para a unidade de produção de etanol de segunda geração e fornece uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento (A) e epuração (Al).

O esquema da Figura 6 prevê o emprego de trocadores tipo casco e tubo, nas suas diversas configurações como termosifão e "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al ou sua(s) equivalente(s). Na presente configuração, trocadores tipo placas, também foram utilizados nas suas diversas configurações, para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al.

O presente exemplo também prevê a utilização de borbotagem direta do vapor da corrente (7) para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de esgotamento A e epuração Al.

No presente exemplo, a corrente (7) gerada no vaso (RF) é empregada para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B I ou sua(s) equivalente(s).

No exemplo aqui apresentado, foram utilizados trocadores tipo casco e tubo, nas suas diversas configurações como termosifao e "falling film" e outros para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" 7, provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou BI ou sua(s) equivalente(s).

O aproveitamento de energia, descrito acima, também pode ser realizado por intermédio de trocadores tipo placas, nas suas diversas configurações, para recuperar, por troca indireta, a energia contida na corrente de vapor "flash" (7), provendo uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação B e/ou BI ou sua(s) equivalente(s).

O esquema da Figura 6 também prevê a utilização de borbotagem direta do vapor da corrente (7) para prover uma parte ou a totalidade da energia requerida para a operação da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI).

Na configuração de processo aqui descrita, parte ou todo o condensado do vapor da corrente (7) retorna para o vaso de vapor (RF), quando a energia for recuperada por troca indireta.

Segundo o modelo da Figura 6, a corrente de flegmaça (3) oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ou após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de limpeza de biomassa (TL), independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas no sistema de limpeza.

O esquema prevê também o emprego de trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado como (TCl) na Figura 6, para controlar a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema de limpeza de biomassa (TL).

No exemplo proposto, a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e B I) ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação da corrente (C5) da biomassa pré-tratada, listado como (SI) na Figura 6, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de separação e recuperação.

Para garantir o desempenho correto do sistema (SI), foram utilizados trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC5) na Figura (6), para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (SI).

Conforme a configuração proposta na Figura 6, a corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação B e/ou B I ou sua(s) equivalente(s), após o uso na limpeza dos fermentadores, é empregada como fonte de água quente para o sistema de separação e recuperação da corrente de (C6) da torta de celulignina, listado como (S2) na Figura 6.

O presente exemplo prevê a utilização de trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC6) na Figura 6, para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (S2).

A corrente de flegmaça (3), oriunda da(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI) ou sua(s) equivalente(s) após o uso na limpeza dos fermentadores, foi empregada como fonte de água quente para os reatores de hidrólise, listados como (RH) na Figura 6, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de hidrólise de biomassa.

Segundo a configuração da presente invenção, trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) com (TC8) na Figura (6), foram utilizados para modular a temperatura da corrente de flegmaça (3) na entrada do sistema (RH).

O esquema descrito na Figura 6 emprega a corrente alcoólica (4) do topo da coluna(s) de retificação (B e/ou B I) ou sua equivalente, na fase vapor, como fonte de aquecimento na etapa de hidrólise da biomassa.

Neste ponto de aproveitamento térmico, foram utilizados trocadores tipo casco e tubo, a placas ou qualquer sistema de troca indireta de calor, listado(s) como (TC3) na Figura 6, para recuperar a energia contida na corrente (4), fornecendo a energia necessária para aquecer o sistema de hidrólise (RH) até a temperatura ótima do processo, independentemente da técnica, dos equipamentos e das configurações adotadas neste sistema de hidrólise da biomassa.

No sistema apresentado na Figura 6, foram utilizados sistemas de instrumentação e controle para as variáveis de processo na(s) coluna(s) de retificação (B e/ou BI), tais como: controle de pressão, controle de vazão e controle de temperatura, visando estabilizar e controlar o sistema de aproveitamento energético proposto na presente invenção.

EXEMPLO 2

Este exemplo ilustra uma possibilidade de configuração do sistema, representando uma aplicação prática da presente invenção.

O sistema de limpeza (TL) é alimentado com 50 t/dia de biomassa, a qual possui cerca de 2 a 15% do peso em impurezas. Esta corrente pode ser uma composição, em qualquer proporção, de bagaço e palha. Concomitante a alimentação de biomassa, cerca de 5 m ³ /h de flegmaça (3), é alimentada, de forma contínua, no sistema (TL). A flegmaça será utilizada na faixa de temperatura de 30 a 105°C, mais preferencialmente, na faixa de 85° a 100°C.

Na sequência do processo, a biomassa limpa e homogeneizada, é pré-aquecida até uma temperatura que está na faixa de 80 a 150°C, utilizando-se a corrente (10) que é proveniente do sistema de reaproveitamento de vapor (RF). Após o sistema de pré-tratamento (RPT), a biomassa é descomprimida rapidamente no sistema de "flash" (TF), variando a pressão na faixa de 26 barg a pressão atmosférica. Nesta etapa, a corrente de vapor (6) com pressão que pode variar na faixa de 0,5 a 5 barg é gerada e alimentada no sistema de reaproveitamento de vapor (RF). A operação do sistema (RF) poderá ocorrer em uma faixa de pressão que varia entre 0,5 a 6,0 barg, preferencialmente na pressão de 1,5 barg. Neste exemplo, cerca de 1,0 t/h de vapor é gerado no sistema (RF), o que corresponde a 40% do vapor utilizado no reator (RPT). Parte deste vapor gerado, cerca de 80%, será aproveitada na etapa de destilação de álcool, através da corrente (7) que está na faixa de pressão de 0,5 a 3,0 barg. Uma fração da corrente de flegmaça (3), aproximadamente 1,5 m /h é empregada para manter o volume de operação do sistema (RF), na faixa de temperatura de 50 a 105 °C.

Após o pré-tratamento, a biomassa é alimentada no sistema de separação (SI) onde a fração solubilizada da hemicelulose é separada da fibra de celulose. Nesta etapa, cerca de 10 m ³ /h de flegmaça oriunda da destilação é alimentada, na faixa de temperatura de 50 a 105°C, no sistema de separação (SI). Na etapa seguinte, aproximadamente 2,0 t/h biomassa pré- tratada e separada da fração de hemicelulose é alimentada no reator de hidrólise (RH). Para garantir a operação do (s) reator (es) na temperatura ideal da reação enzimática, que pode variar na faixa de 35 a 70 °C, emprega-se aproximadamente 5,0 t/h da corrente (4), que é parte do vapor alcoólico proveniente do topo da coluna de retificação "B". O teor de sólidos suspensos no reator (RH) é mantido na faixa de 8 a 40%, através da adição de flegmaça (3) e vinhaça (5). Completada a reação de hidrólise, o meio reacional é enviado para o sistema de separação (S2), onde a fração de glicose é separada da fração de lignina e da fração de celulose que não reagiu. A glicose, presente na torta de celulignina gerada nesta etapa, será deslocada com aproximadamente 5,0 m /h de flegmaça da corrente (3). A corrente de glicose, denominada C6 na figura 6 é enviada para a fermentação.

Como é possível depreender a partir do aqui revelado, o emprego da presente invenção é economicamente interessante, pois possibilita otimizar instalações produtoras de etanol de primeira e segunda gerações já existentes ou pode ser aplicada em projetos novos para reduzir o custo operacional da unidade. Deve-se, além disto, ser entendido que a presente invenção abrange outras modalidades e configurações além daquelas descritas neste pedido de patente.